rincipe et buts :
La cémentation est un traitement thermochimique de diffusion ayant pour but l’enrichissement en carbone d’une couche superficielle de la pièce à traiter. Cet enrichissement se fait par mise en contact avec un milieu carburant pulvérulent, pâteux, liquide ou gazeux. L’opération de diffusion est toujours suivie d’une opération de trempe afin d’obtenir le durcissement de la couche enrichie par formation de martensite. En outre, le durcissement par trempe martensitique crée des contraintes de compression dans la zone superficielle de la pièce dont la tenue en fatigue est ainsi améliorée.
Remarque :
Le vocable cémentation désigne couramment l’ensemble des deux traitements de diffusion et de durcissement par trempe.
L’étape d’enrichissement en carbone :
C’est l’étape thermochimique du traitement. Par mise en contact avec un milieu cémentant, on forme à la surface de l’acier (teneur initiale en carbone 0,1 à 0,2%C) une couche superficielle plus ou moins enrichie en carbone. Les teneurs atteintes en surface varient selon les applications de 0,7 à 1,2%C en général.
Deux phénomènes interviennent simultanément :
Une réaction chimique qui fournit du carbone à la surface du métal.
Un processus de diffusion de l’élément carbone dans la zone superficielle, de la surface vers l’intérieur de la pièce.
On utilise trois types de céments : cément pulvérulent ou pâteux, cément liquide et cément gazeux. Nous ne donnerons quelques détails qu’à propos de la cémentation gazeuse dont le mécanisme est le mieux connu car il est parfaitement adapté aux productions industrielles en série.
En cémentation gazeuse :
Le gaz porteur est produit le plus souvent par un générateur endothermique, par exemple, avec 1 volume de méthane et 2,4 volumes d’air on obtient un gaz constitué de 20%CO, 40%N2, 40%H2 et des quantités minimes de CH4, CO2 et H2O.
Ou bien on introduit directement le méthanol (CH3OH) dans l’enceinte même du four.
Le méthanol liquide est craqué sur une assiette de craquage à partir de 750°C pour donner un mélange gazeux composé de 33%de Co et de 66% d H2 (suivant la réaction ci-dessous).
CH3OH --> CO + 2H2
Schématiquement, l’enrichissement se fait à travers le CO par 3 réactions d’équilibres suivantes :
2 CO --> CO2 + C (1)
CO+ H2 --> C + H2O (2)
CO --> C + ½ O2 (3)
Par contre, les 3 équilibres sont dépendants, puisqu’elles sont liées les unes des autres d’une part par la réaction du gaz à l’eau :
CO2 + H2 --> CO+ H2O
Et d’autre part par la réaction d’oxydation du CO:
CO+ ½ O2 --> CO2
Une atmosphère de cémentation gazeuse est caractérisée par son potentiel carbone.
Le potentiel carbone est la teneur en carbone d’un échantillon de l’acier en équilibre à l’état austénitique avec l’atmosphère cémentant à la température et à la pression d’utilisation.
AC (g) = % C x f (avec f : coefficient d'activité du carbone)
K, f : lus dans des tables
L'atmosphère sera carburante ou décarburante selon que son potentiel carbone sera supérieur ou inférieur à la teneur en C de l'acier.
Le potentiel carbone peut être contrôlé par une sonde à oxygène, un feuillard ou un analyseur Co/Co2.
Diffusion du C :
Le processus de diffusion peut être décrit par la 2ème loi de Fick :
C : taux de C
C = f (x, t) avec x : distance à la surface
C (x, 0) = C0 (concentration initiale dans l'acier).
C (0, t) = Cs (à la surface)
Cs est en fait l'apport de C par le milieu cémentant.
D : constante de diffusion
L’épaisseur de cémentation est conventionnellement fixée à l’épaisseur de la zone qui, après trempe, a une dureté supérieure à 550HV, les duretés en surface pouvant atteindre 700 à 900HV. Ces épaisseurs sont en générale comprises entre 0,2 et 2mm environ.
Le durcissement de la couche cémentée s’obtient par trempe (huile, sels, gaz). Après trempe, les pièces peuvent subir un revenu de détente vers 150 à 190°C conduisant à une augmentation de la ténacité de la couche par relaxation partielle des contraintes.
Exemple de réaction gazeuse en cémentation et carbonitruration.
Nature des gaz :
O2 (Oxygène) :
Oxydant-décarburant, il entretien la combustion.
N2 (Azote) :
Neutre et inerte. (Nitrure à l’état naissant lors de la décomposition).
H2 (Hydrogène) :
Grande affinité pour l’oxygène, gaz réducteur. Très peu décarburant.
H2O (Eau) :
Sous forme de vapeur, oxydant, décarburant.
Co (Oxyde de carbone) :
Gaz toxique et carburant.
Co2 (Dioxyde de carbone) :
Combustion intégrale du carbone, gaz oxydant et décarburant.
C3H8 (Propane) :
Se décompose à haute température. C’est un gaz cémentant et réducteur.
C (Carbone) :
A l’état naissant c’est un gaz cémentant et réducteur.
CH4 (Méthane) :
Se décompose à haute température. Gaz cémentant et réducteur.
