L’expertise du premier groupe français dans le trai tement thermique et revêtement sous vide.

Le durcissement superficiel des inox

15 décembre 2016 Rendez-vous de la Mécanique CETIM - CTDEC

Thermi-Lyon / Trempelec – Stéphane CHOMER

PLAN

• Rappel – Les aciers inoxydables

• Comment durcir les aciers inoxydables

• Traitements thermochimiques de durcissement

• Durcir et préserver la résistance à la corrosion• Durcir et préserver la résistance à la corrosion

• Conclusion

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C’EST QUOI UN ACIER INOXYDABLE ?

• MECANISME DE PROTECTION

– Un acier est inoxydable si sa teneur en Cr > 12%

– Caractère inoxydable lié à la formation d’une couche

superficielle de type oxyde de Cr : couche passive

Couche passive (Fe-Cr)xOy

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– La couche passive est auto-cicatrisante (se régénère)

– Elle peut localement être dégradée et conduire à une

corrosion localisée (par piqûre, par crevasse…)

Alliage Fe-Cr-(Ni)

Couche passive (Fe-Cr)xOy

LES TYPES D’ACIERS INOXYDABLES

• FAMILLES NORMALISEES

– Inox martensitiques (C >0,08% ; Cr >13%)

– Inox ferritiques (C <0,08% ; 13 < Cr < 30%)

– Inox austénitiques (C <0,08% ; Cr >13% + Ni >8%)

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– Inox austénitiques (C <0,08% ; Cr >13% + Ni >8%)

– Inox austéno-ferritiques (duplex)

– Inox à durcissement par précipitation

DURCIR LES ACIERS INOXYDABLES

• La trempe-revenu s’applique aux :

• Inox martensitiques

• Inox à durcissement secondaires

• L’écrouissage :

Faible tenue en corrosion

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• L’écrouissage :

• Inox austénitiques

• Inox ferritiques

• La nitrocarburation

• La cémentation

Faible durcissement

Durcissement élevé mais perte de tenue corrosion SAUF conditions particulières

NITROCARBURATION DES INOX

• LES PROCEDES DE NITROCARBURATION

• BAINS DE SELS

• Procédé au trempé, le plus simple mais le moins souple.

• GAZEUX

• Le plus abouti en pilotage (Kn-Kc) suivant AMS 2759-10 et -12

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• Le plus abouti en pilotage (Kn-Kc) suivant AMS 2759-10 et -12

• IONIQUE

• Le plus performant pour le masquage et le traitement partiel

• GAZEUX ASSISTE PLASMA (THERMI©-SP)

• Le plus adapté aux aciers inoxydables

• Compatibilité des PROCEDES avec les INOX

DEPASSIVATION VRAC PILOTAGE

PROCESS

RESULTATS

BAIN DE SELS OUI OUI NON Dureté >900 HV

Perte résistance corrosion

NITROCARBURATION DES INOX

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GAZEUX NON OUI T°

Kn et Kc

Dureté faible

Résistance corrosion

IONIQUE OUI NON T°

W

Dureté >900 HV

Perte résistance corrosion

THERMI©-SP OUI OUI T°

W

Dureté > 900 HV

Résistance corrosion

NITROCARBURATION STANDARD

ε compact ε poreux

9.5 %

• Acier faiblement allié (par exemple : 42CrMo4): Nitrocarburationstandard à 580°C

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ε (Fe2,3N)

• Nitrocarburation standard à 580°C, différence de réponse au traitement entre acier standard et acier inoxydable

NITROCARBURATION STANDARD

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42CrMo4 AISI 304L

N / N+C

T<590°C

Nitruration / Nitrocarburation classiqueAcier, aciers faiblements alliés

NITROCARBURATION STANDARD

TT

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TT

Couche de diffusion

ε - Fe2(N,C)1-X

γ’- Fe4N1-X

Couche de combinaison

Fe (+ carbures)

Nitrures

N / N+C

T<590°C

Nitruration / Nitrocarburation classiqueAciers inoxydables

AISI 304 L

NITROCARBURATION STANDARD

TT

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TTCouche de diffusion

γ’- Fe4N1-X + CrN/Cr2N Couche de combinaison

Fe (+ carbures)

Nitrures de chrome

AISI 304 L

• GAZEUX ASSITE PLASMA (THERMI©-SP)

• Enrichissement élevé en azote et en carbone

• A une température de l’ordre de 420°C

• Sans précipitation de nitrures ou carbures de chrome

NITROCARBURATION BASSE T°

15 décembre 2016 Rendez-vous de la Mécanique CETIM - CTDEC

Source : T. Bell and C.X. Li, “Stainless Steel: Low-Temperature Nitriding and Carburizing”, Advanced Materials & Processes, Volume 160, Issue 6, 2002

NITROCARBURATION BASSE T°

N+CT<420°C

Nitruration / Nitrocarburation classiqueAciers inoxydables

Nitrocarburation basse T°Aciers inoxydables, alliages de Ni et Co

THERMI©-SP450 <T<590°C

γ’- Fe4N1-X + CrN/Cr2N Couche de combinaison

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TT

Austénite expansée

TT

Couche de diffusion

combinaison

Fe (+ carbures)

Nitrures de chrome

γN

γC

NITROCARBURATION BASSE T°

N+C

T : 590°C

N+C

T : 420°C

Nitrocarburation classiqueAciers inoxydables AISI 316L

Nitrocarburation basse T°Aciers inoxydables AISI 316L

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TT

Couche de diffusion

ε - Fe2(N,C)1-X

γ’- Fe4N1-X

Couche de combinaison

Fe (+ carbures)

Nitrures

TT

γN

γC

Austénite expansée

Acier inoxydable

γN

γC

CARACTERISTIQUES DES COUCHES

• Sur aciers inoxydables austénitiques (AISI 304, 316, 904 …)• Durcissement important sur 20 à 30 µm (environ 1200 HV) = Forte tenue

à l’usure sous faible charge.

• Excellente tenue corrosion

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1200 HK

950 HK

400 HK

INFLUENCE DU TEMPS DE TRAITEMENT

� L’épaisseur de traitement peut être adaptée entre 5 et 35 µm suivant l’application.

� La limite de précipitation évolue avec le temps et la température

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Source : T. Bell and C.X. Li, “Stainless Steel: Low-Temperature Nitriding and Carburizing”, Advanced Materials & Processes, Volume 160, Issue 6, 2002

SENSIBILITE A L’ETAT DE SURFACE

� L’écrouissage favorise l’apparition de précipités de CrN et donc une

sensibilisation à la corrosion. Un traitement préalable à la

nitrocarburation basse température est alors nécessaire :

� Hypertrempe si la géométrie ou la dureté voulue à cœur le permet

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� Décapage chimique si les tolérances le permettent

� L’oxydation (coloration) des pièces empêche la diffusion d’azote et

carbone. Seul un décapage chimique des pièces peut les rendre aptes

au traitement…

INFLUENCE DE LA GEOMETRIE

• Le THERMI©-SP est un traitement très pénétrant et qui respecte bien la forme

des pièces.

15 décembre 2016 Rendez-vous de la Mécanique CETIM - CTDEC

INFLUENCE DE LA GEOMETRIE

• Le THERMI©-SP est un traitement très pénétrant et qui respecte bien la forme

des pièces.

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INFLUENCE DE LA T° EN UTILISATION

� Pour les applications travaillant à chaud, plus la température est élevée, moins la couche est stable.

� Un fonctionnement à 250°C pendant 6 ans provoque la transformation de 50% de la couche.

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Source : T. Christiansen and M.A.J. Somers, Zeitschrift für Metalkunde 97, 2006, 79-88

250°C

6 ans

ACIERS INOXYDABLES COMPATIBLES

• Aciers inoxydables compatibles avec le traitement THERMI©-SP

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Conclusion

• Il est possible d’augmenter très

fortement la dureté superficielle

des inox austénitiques sans

dégrader leur résistance à la

corrosion

• Ce type de traitement présente

un grand intérêt pour l’industrieun grand intérêt pour l’industrie

– Automobile (turbo),

– Médicale

– Agroalimentaire.

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