Bases de la nitruration : nitruration gazeuse et nitruration plasma sans trempe

Un principe de durcissement différent

Contrairement à la cémentation, la nitruration ne repose pas sur une transformation de phase. Les pièces sont chauffées à environ 500–580 °C — en dessous des températures de revenu et de transformation de l'acier — dans un environnement fournisseur d'azote (gaz ammoniac, ou plasma d'azote). L'azote diffuse et forme de fins nitrures durs avec les éléments d'alliage présents dans l'acier. Comme rien n'est trempé ensuite, la distorsion est minimale et des pièces finies peuvent être traitées.

Les deux zones

Une surface nitrurée comporte deux régions distinctes :

• Couche de combinaison ("couche blanche") — un mince film superficiel de nitrures de fer, généralement épais de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres. Elle est très dure, résiste au grippage et à la corrosion, mais peut être fragile ; sur les pièces de précision ou soumises à la fatigue, elle est souvent limitée ou éliminée par rodage.
• Zone de diffusion — en dessous, l'azote en solution et les précipités de nitrures d'alliage élèvent progressivement la dureté jusqu'à revenir au niveau du cœur. Les profondeurs totales de couche sont généralement d'environ 0.2–0.7 mm, beaucoup moins profondes que les couches cémentées, car la température plus basse ralentit la diffusion et les cycles durent déjà des dizaines d'heures.

La dureté de surface dépend fortement de l'acier : les nuances contenant de l'aluminium et du chrome peuvent dépasser environ 1000 HV, tandis que les aciers au carbone ordinaires ne gagnent guère plus qu'une protection de surface — ils manquent d'éléments formateurs de nitrures.

Aciers qui se nitrurent bien

Les aciers de nitruration sont délibérément alliés avec de l'aluminium, du chrome, du molybdène et du vanadium :

• 1.8550 (31CrMoV9) — l'acier de nitruration dédié classique, fourni pré-durci.
• 4140 / 42CrMo4 — largement nitruré pour les arbres et les engrenages lorsqu'une dureté de couche modérée suffit.
• H13 (1.2344) — les matrices de travail à chaud sont couramment nitrurées (ou nitrocarburées) pour résister au collage et à la fissuration thermique en service de fonderie sous pression.
• Les nuances inoxydables et maraging ont leurs propres variantes à basse température pour éviter de nuire à la résistance à la corrosion ou à la structure vieillie.

Règles de procédé qui comptent

1. Pré-durcir d'abord. Le cœur est trempé et revenu avant la nitruration, et la température de revenu finale doit se situer en toute sécurité au-dessus de la température de nitruration — sinon le cycle lui-même sur-revient le cœur.
2. Détensionner après l'usinage d'ébauche, afin que le cycle de nitruration ne soit pas chargé de faire deux tâches à la fois.
3. Gaz vs plasma. La nitruration gazeuse est le standard économique par lots. La nitruration plasma (ionique) offre un meilleur contrôle de la couche blanche, fonctionne plus facilement sur les nuances inoxydables, et peut masquer des zones mécaniquement, pour un coût d'équipement plus élevé.
4. Pas de trempe signifie pas de rattrapage. Les défauts de surface, la décarburation ou un cœur tendre à l'entrée seront toujours là à la sortie — la qualité de la préparation décide du résultat.

Nitruration contre cémentation

Les deux procédés de durcissement superficiel sont complémentaires, et non concurrents. La cémentation donne des couches plus profondes (couramment de la classe 0.5–2 mm), une capacité de charge plus élevée et un coût unitaire plus faible sur les engrenages en grand volume, mais elle nécessite une trempe, avec la distorsion et la rectification de finition qui s'ensuivent. La nitruration donne des couches moins profondes et des limites de charge de contact plus faibles, mais la pièce peut être usinée en finition avant le traitement et en ressort dimensionnellement stable, avec une meilleure résistance à la corrosion et un meilleur comportement au grippage. Les facteurs décisifs sont généralement la profondeur de couche requise, la tolérance aux déformations et le fait que l'acier en question contienne ou non les éléments formateurs de nitrures dont dépend la nitruration.