Qu'est-ce que la nitruration ?

Base de nitruration

La nitruration est un processus de traitement thermique qui diffuse de l'azote dans la surface d'un métal pour créer une surface cémentée. L'azote ajouté augmente la dureté et la résistance à l'usure sans affecter de manière significative les propriétés métallurgiques du noyau. Lors de la nitruration, le métal est chauffé à 500-550°C dans une atmosphère riche en azote. L'azote se diffuse dans la surface jusqu'à 0.5 mm de profondeur et réagit avec des éléments d'alliage comme l'aluminium, le vanadium et le chrome pour former des nitrures durs. Ces nitrures augmentent la dureté de surface jusqu'à 1300 XNUMX HV, améliorant ainsi la résistance à l'usure et à la corrosion.

Objectifs de la nitruration

La nitruration est utilisée pour améliorer les propriétés de surface des métaux à plusieurs fins clés :

Augmenter la dureté de la surface

Le but principal de la nitruration est d’augmenter la dureté superficielle des métaux. L'azote ajouté réagit avec les éléments d'alliage pour former des composés nitrurés durs. Cette couche de diffusion augmente la dureté jusqu'à 1300 HV, ce qui améliore la résistance à l'usure et la capacité de charge.

Améliorer la résistance à la fatigue

La profondeur du boîtier durci créée par la nitruration améliore la résistance à la fatigue des composants tels que les engrenages et les arbres. Les contraintes de compression formées dans le boîtier nitruré augmentent la résistance à l'amorçage et à la propagation des fissures.

Améliorer la résistance à la corrosion

La nitruration améliore la résistance à la corrosion de deux manières. Premièrement, les composés nitrurés sont très stables et inertes. Deuxièmement, la profondeur de couche créée par la nitruration garantit que le matériau du noyau ne sera pas affecté si la couche de surface est usée.

Distorsion minimale

Contrairement aux méthodes de trempe, la nitruration ne nécessite pas de refroidissement rapide de la pièce. En conséquence, la nitruration provoque très peu de distorsions ou de contraintes résiduelles, ce qui la rend adaptée aux composants de haute précision. Les changements dimensionnels provoqués par la nitruration sont négligeables.

Types de nitruration

Il existe plusieurs méthodes principales et variantes du processus de nitruration utilisées dans l’industrie :

• Nitruration de gaz– Dans la nitruration gazeuse, la source d’azote provient du gaz ammoniac dissocié en azote et hydrogène. Le gaz ammoniac est moins cher que l’azote pur. Les composants sont chauffés à 500-590°C dans une cornue scellée avec un débit d'ammoniac contrôlé.
• Nitruration Plasma- La nitruration plasma utilise une décharge plasma générée par une alimentation haute tension pour créer des ions azote activés. Cela permet une diffusion plus rapide à des températures plus basses de 350 à 590°C. La nitruration plasma offre un contrôle précis de la profondeur du boîtier.
• Nitruration au bain de sel- Dans la nitruration par bain de sel, la source d’azote provient de la dissociation de sels de cyanure comme NaCN. Les pièces sont immergées dans le bain de sel de cyanure fondu maintenu à 580-590°C. La nitruration en bain de sel permet d'atteindre une dureté cémentée très élevée jusqu'à 1500 XNUMX HV.
• Nitruration en lit fluidisé- La nitruration en lit fluidisé implique la dissociation du gaz ammoniac dans un lit de poudre d'alumine fluidisée par un flux gazeux. Cette méthode offre une excellente uniformité de température pendant le traitement.
• Autres variantes- D'autres variantes incluent la nitrocarburation qui ajoute du carbone pour former des carbonitrures, la post-oxydation pour former des couches d'oxyde noir et la nitruration à basse température entre 350 et 380°C. Des procédés hybrides comme la nitrocarburation au plasma sont également utilisés.

Matériaux adaptés à la nitruration

La nitruration peut être appliquée à une gamme d’alliages ferreux et non ferreux :

Aciers à faible teneur en carbone

Les aciers faiblement alliés contenant moins de 0.25 % de carbone sont généralement nitrurés pour augmenter la dureté de surface et la résistance à l'usure. La faible teneur en carbone réduit la formation de nitrures de fer instables. Les exemples populaires incluent les aciers 1018, 4140 et 4340.

Aciers à outils

Les aciers à outils, notamment H13, P20 et D2, sont idéaux pour la nitruration en raison de leur trempabilité élevée et de leur teneur en alliage. La nitruration augmente la dureté, la résistance et la durée de vie des outils destinés aux applications de travail à chaud ou à froid.

Aciers inoxydables

Les aciers inoxydables martensitiques et à durcissement par précipitation comme 410, 416, 420 et 17-4PH peuvent être efficacement nitrurés pour améliorer la résistance à l'usure et à la corrosion. Une dureté de surface de 1000 1400 à XNUMX XNUMX HV peut être obtenue.

Alliages d'aluminium

Certains alliages d'aluminium contenant du silicium et du magnésium peuvent être nitrurés grâce à un processus appelé nitrocarburation. Cela diffuse simultanément de l’azote et du carbone dans l’alliage.

Alliages de titane

Les alliages de titane, notamment le Ti-6Al-4V, peuvent être nitrurés par des méthodes plasma. Cela crée une couche de surface protectrice de haute dureté sans affecter la ductilité du noyau et la ténacité à la rupture.

Autres alliages

D'autres matériaux comme les superalliages à base de nickel, les aciers à outils et les alliages de cobalt peuvent également être nitrurés. Les alliages ferreux et non ferreux avec suffisamment d’ajouts d’alliage pour stabiliser les nitrures peuvent en bénéficier.

Équipements et consommables pour la nitruration

Les processus de nitruration utilisent des fours spécialisés, des alimentations en gaz et des équipements de surveillance de la température :

• Fours de nitruration
  • Fours de type boîte ou armoire avec cornues étanches au gaz et isolation pour la nitruration au gaz et au plasma jusqu'à 1000 590 °F (XNUMX °C).
  • Fours à bain de sel fondu pour la nitruration par bain de sel autour de 1100°F (590°C).
  • Fours à lit fluidisé contenant des milieux céramiques poreux pour la nitruration en lit fluidisé.
• Azote gazeux
  • Azote gazeux de haute pureté comme source de nitruration gazeuse.
  • Gaz ammoniac qui se dissocie en azote et en hydrogène pour la nitruration gazeuse.
• Alimentations
  • Alimentations CC jusqu'à 1000 10,000 V et courant nominal supérieur à XNUMX XNUMX ampères pour la nitruration plasma.
• Surveillance de la température
  • Thermocouples pour surveiller l’uniformité de la température du four.
  • Pyromètres pour mesurer la température de surface des composants.
• Consommables
  • Sels de cyanure pour la nitruration en bain de sel.
  • Poudre d'alumine pour nitruration en lit fluidisé.
  • Huile de trempe, solutions de nettoyage, outillage, accessoires, etc.

Un équipement approprié est essentiel pour contrôler l’atmosphère, la température et la durée de nitruration afin d’obtenir une profondeur et des propriétés reproductibles.

Processus de nitruration

Les étapes clés d’un processus de nitruration typique sont :

1. Nettoyage
   1. Éliminez la saleté, l'huile, la graisse, les oxydes et autres contaminants de la surface des composants par dégraissage, nettoyage alcalin ou décapage acide.
2. chargement
   1. Chargez soigneusement les composants dans les luminaires ou les paniers pour éviter toute contamination et garantir une exposition appropriée.
3. Chauffage et maintien
   1. Chauffer à une vitesse de 400 à 800 °F/h (220 à 440 °C/h) pour atteindre la température de nitruration.
   2. Maintenir à température de nitruration pour permettre aux pièces d'atteindre l'équilibre thermique.
4. Nitruration
   1. Exposez les pièces à un environnement riche en azote à la température de nitruration pendant le temps requis pour atteindre la profondeur du boîtier.
   2. Le gaz ammoniac se fissure en azote et en hydrogène. Le plasma génère des ions azote. Les sels de cyanure libèrent de l'azote.
5. Trempe
   1. Refroidissement rapide comme dans l'huile pour préserver la structure nitrurée. Non requis pour certains processus.
6. Déchargement et nettoyage
   1. Décharger les pièces et éliminer tout résidu d'huile de trempe ou de sels par lavage.
   2. Appliquez un post-traitement comme un meulage ou un polissage.

Un contrôle minutieux du processus est nécessaire pour obtenir la profondeur de boîtier souhaitée, minimiser la distorsion et garantir la formation de phase nitrure.

Applications industrielles de la nitruration

Certaines utilisations industrielles courantes de la nitruration dans les composants mécaniques comprennent :

Engrenage

Les engrenages en acier allié nitruré ont une dureté de surface et une résistance à la fatigue plus élevées. Utilisé dans les engrenages de transmission, les engrenages à cames, les couronnes dentées, etc.

Roulements

La nitruration des chemins de roulement, des éléments roulants et des surfaces de roulement améliore la résistance à l'usure et la durabilité sous charge cyclique.

Vilebrequins

La nitruration augmente la résistance à la fatigue des congés et des tourillons du vilebrequin. Utilisé dans les moteurs automobiles et marins.

Pistons

Les pistons en fonte d'aluminium nitruré augmentent la résistance à l'éraflure et la résistance à l'usure de l'adhésif contre les parois du cylindre.

Valves

Amélioration de l'usure des soupapes d'admission et d'échappement des moteurs à combustion interne avec faces et tiges de soupapes nitrurées.

Outils de coupe

Les outils de coupe en acier rapide et en carbure traités par nitruration ont de meilleurs taux d'enlèvement de métal et une meilleure durée de vie.

Matrices et Moules

Les moules et matrices en acier à outils nitruré pour le moulage, le forgeage et l'emboutissage présentent une durabilité et des performances améliorées.

Autres utilisations

Courant dans les récipients sous pression, les arbres, les cylindres, les cames, les fixations, les actionneurs et les composants de transmission fluidique.

L'augmentation de la dureté de surface, de la résistance à l'usure, de la résistance à la fatigue et à la corrosion rend la nitruration idéale pour les pièces mécaniques critiques.

Nitruration dans les bijoux et accessoires

Bien que moins courante que les utilisations industrielles, la nitruration a des applications de niche dans les bijoux et les accessoires de mode :

Finition de surface améliorée

La nitruration peut fournir une finition de surface lisse et uniforme sur les composants métalliques des bijoux tels que les bagues, les bracelets et les boîtiers de montres. Cela réduit le besoin de polissage secondaire.

Résistance à la corrosion améliorée

La couche nitrurée améliore la résistance à la corrosion des bijoux exposés à l'humidité comme les bagues, les bracelets, les chaînes et les bracelets de montre en métal.

Revêtements noirs décoratifs

Le noircissement sélectif des surfaces gravées par nitruration de l'acier inoxydable ou du titane peut fournir des motifs décoratifs et des accents sur les bijoux.

Surfaces durcies

Résistance à l'usure améliorée pour les bijoux à usage intensif comme les bagues pour hommes et les bracelets de montre en métal grâce au durcissement de la surface.

Des économies

Dans certains métaux, la nitruration peut offrir des performances améliorées par rapport au placage ou aux revêtements PVD à moindre coût.

Perception du client

Certaines marques de luxe utilisent la nitruration pour les avantages perçus de la technologie et de la finition de surface.

Bien qu’elle ne soit pas aussi répandue que dans les industries manufacturières, la nitruration peut offrir des avantages fonctionnels et esthétiques pour certaines applications de bijouterie. Un contrôle approprié est nécessaire pour conserver l’apparence des métaux des bijoux.

Comparaison avec d'autres processus de durcissement de surface

La nitruration diffère des autres processus courants de durcissement de surface de plusieurs manières :

Carburation

La cémentation diffuse du carbone plutôt que de l'azote dans la surface de l'acier. Cela crée un boîtier martensitique plus dur mais moins stable. La nitruration offre une meilleure résistance à la corrosion.

Nitrocarburation

La nitrocarburation ajoute simultanément de l'azote et du carbone. Le boîtier carbonitrure combiné peut offrir des avantages par rapport à l’un ou l’autre seul.

Induction durcissante

Le durcissement par induction chauffe et trempe rapidement la surface par induction électromagnétique. La nitruration offre une profondeur de boîtier plus profonde et moins de distorsion.

Durcissement à la flamme

Avec le durcissement à la flamme, les chalumeaux oxy-combustibles chauffent rapidement la surface avant de la tremper. La nitruration peut durcir plus efficacement des géométries complexes.

Dépôt de film dur

Les techniques de dépôt de films durs telles que le PVD, le CVD et les revêtements par projection thermique déposent une fine couche de céramique sur la surface. La nitruration diffuse de l'azote dans le métal du substrat lui-même pour une meilleure adhérence et une meilleure résistance à la fatigue. Cependant, les revêtements peuvent offrir des avantages supplémentaires comme l’isolation ou la résistance aux températures élevées.