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Four compact de nitruration gazeuse

Installation de nitruration Thermic Service Fig.1

Christian LIDIN
Thermic Service SA – Suisse

La nitruration est un traitement qui apporte des avantages de plus en en plus prisés par les mécaniciens car mieux maitrisés de nos jours.
Elle apporte une remarquable résistance à la corrosion à l’usure avec des duretés très élevées (550 Hv pour les aciers non alliés de décolletage et d’emboutissage à 1300 Hv sur des aciers alliés spécifiques à la nitruration) qui est impossible à obtenir par des traitements traditionnels comme la cémentation ou la carbonitruration (850 Hv à 950 Hv).
De plus la nitruration se pratique entre 450° et 590°C, c'est-à-dire en dessous du point de transformation austénitique ce qui a pour but d’engendrer aucune déformation contrairement aux autres traitements qui nécessite une trempe source de déformation. Elle apporte également une excellente résistance à la fatigue.
Les pièces nitrurées ont un cœur résilient et une dureté de surface élevée qui à pour but d’augmenter la limite d’endurance.
Les pièces sortent avec une belle couleur blanche.

C est pourquoi Thermic service vous présente un nouveau concept de four compact de nitruration pouvant s’intégrer dans une ligne de production…

La nitruration :

La nitruration est un procédé thermo chimique conduisant à un durcissement superficiel par diffusion d’azote en général sans traitement thermique consécutif.

L’apport d’azote atomique à la surface de l’acier est obtenu par dissociation thermique d’ammoniac, catalysée par Fe :

Seul l’azote à l’état naissant (atomique) est actif.

La température usuelle se situe entre 450 et 590°C elle n’a d’intérêt que pour des aciers alliés contenant des éléments tels que Cr, Mo, V, A

Lors de la nitruration une couche se forme elle est composée en général d’une :

Zone de combinaison appelé aussi couche blanche de 5 à 20 Um constitué en proportions variables de nitrures de fer,
Suivie d’une Zone de diffusion constituée d’une solution solide d’azote en insertion dans la ferrite ou sont précipités des carbures ou nitrures d’éléments alliés sous forme de particules suffisamment fines et résistantes à la coalescence pour conduire à un durcissement par précipitation.

D’après le diagramme des phases si dessous (fig.2) nous voyons qu’il existe trois domaines monophasés :

Une solution d’azote dans le fer α
Le nitrure γ’ Fe4N
Le nitrure ε Fe2-3N

Les aciers utilisés en nitruration peuvent être trempé revenu ce qui donne de meilleurs résultats en nitruration du a une structure sorbitique avant nitruration.

Fig. 2 Diagramme d’équilibre fer-azote

L’atmosphère :

L’introduction d’ammoniac directement dans le four donne le gaz porteur, en fonction des cycles de l’ammoniac craqué peut se rajouter afin de réguler l’atmosphère dans le but de réduire voir supprimer la couche blanche..En nitrocarburation du propane (C3H8) sera également injecté.

Fig. 4

Pendant la nitruration le passage de l’azote dans le fer à partir d’un mélange de gaz constitué de NH3, N2 et H2

La structure après nitruration est constituée de deux zones distinctes (fig.4). En surface on observe une couche de combinaison appelée aussi couche blanche (due à sa couleur après attaque au nital) qui peut variée de 0 à 30 Um de profondeur. Sous cette couche se trouve une couche de diffusion, dont l’épaisseur peut varier suivant le temps de traitement (0,05 à 1mm).
La couche de combinaison est formée essentiellement de nitrures.

Un craqueur d’ammoniac intègre l’installation utilisé pour la régulation du Kn (appelé potentiel nitrurant)

ou comme gaz de protection lors du refroidissement.

Le mélange gazeux obtenu, appelé ammoniac craqué est formé de ¼ d’azote et de ¾ d’hydrogène. La dissociation a lieu en présence d’un catalyseur au nickel à des températures avoisinant les 950°C.

L’utilisation d’un craqueur à un avantage pécunier non négligeable car avec une bouteille d’NH3 de 50 Kg ont peut produire un volume craqué (N2 + 3H2) correspondant environ au contenu de 13 bouteille de gaz comprimé..

Le Kn calculé servira à la régulation sur le gain d’épaisseur et la composition de la couche de nitrure suivant le diagramme de Lehrer

Fig. 5 : diagramme de Lehrer

La Nitrocarburation :

Elle est utilisée sur des aciers alliés comme sur des aciers non alliés. L’apport de carbone en plus d’une atmosphère de nitruration va enrichir la couche de combinaison dans le but de diminuer le coefficient de frottement et d’améliorer la résistance à l’usure par adhésion et abrasion.
Il existe différents procédés de nitrocarburation, qui utilisent divers gaz additionnels pour enrichir le système en carbone C.
L’élément le plus important ici est de considérer que la nitruration est une réaction à un pseudo équilibre et seules les considérations thermocinétiques sont possibles.
Le système Fe-N-C est un système ternaire encore plus complexe. Dès lors, si l’apport de carbone C , se fait en utilisant des gaz ou des hydrocarbures qui contiennent autre chose que de l’hydrogène et du carbone, nous rentrons alors dans des systèmes encore plus complexe ou tout devient plus difficile à maitriser.
Ainsi l’utilisation de Co et/ ou de Co2 comme gaz additionnel amène de l’oxygène dans le système qui va réagir à la fois avec le carbone et l’hydrogène. On connait par exemple la formation d’urée (carbamate d’ammonium) dans les conduites et sur les parties froides du four qui bouche les tuyauteries et empêche toutes mesures par infra rouge.

Il faut également souligner qu’à ma connaissance le rôle éventuel de l’oxygène dans la qualité de la couche de nitrure ε reste spéculatif et n’est pas prouvé.
C’est pour quoi nous préférons utiliser le propane (C3H8) comme gaz additionnel dans la nitrocarburation.

Le diagramme d’équilibre ternaire Fe-N-C à 570°C (fig.6 ) montre que le carbone augmente le domaine de stabilité de la phase ε.
En pratique on associe l’azote avec du carbone en rajoutant un agent carboné directement par ajout de propane.

La proportion de carbone introduite dans le four doit être raisonnable car une trop grande quantité de carbone peut provoquer la formation de cémentite en surface ce qui bloquerait toute la cinétique de la nitrocarburation.

Fig. 6 : diagramme Fer-azote-carbone à 570°C

La post-oxydation :

Le but recherché par la nitrocarburation suivie d’une post oxydation est généralement une amélioration de la résistance à la corrosion, par formation d’une couche d’oxyde. Certaines applications demandent également à ce que la couche présente des teintes spécifiques, principalement noires pour des questions d’esthétiques.

L’intérêt principal de la nitrocarburation suivi d’une post oxydation en milieu gazeux est de présenter des avantages importants techniques, qualificatifs et écologiques par rapport aux traitements en bains de sels hautement polluants.

L’objectif est ici de favoriser à la surface de la couche de combinaison ε une couche d’oxyde de fer dense Fe3O4 et compact sans alterner les propriétés trilogiques et mécanique conférées
à la pièce par le traitement de nitrocarburation qui précède.

Typiquement les propriétés doivent être les suivantes :

o Conserver les propriétés mécaniques obtenues :
 Résistance à la fatigue au grippage et à l’usure

o Bonne adhésion de la couche ε sur la couche α :
 Améliorer les propriétés en frottement

o Disposer d’une couche ε avec une certaine porosité :
 Meilleur ancrage ou adhésion de la couche d’oxyde

o Contrôle de la qualité de la couche d’oxyde :
 La couche d’oxyde doit fermer la porosité de la couche de combinaison ε afin d’optimiser la résistance à la corrosion.

o Contrôle de la croissance de la couche d’oxyde :
 Pas plus de 1 à 2 μm
 La couche d’oxyde doit présenter des propriétés mécaniques spécifiques comme la ductilité et la résistance à l’abrasion.
 Il est important que la couche d’oxyde ne s’écaille pas en sollicitations mécanique.
 La couche d’oxyde doit bénéficier du coefficient de Pilling-Bedforth théorique pour rester en compression

o Contrôle de la couleur et de l’aspect de la surface
 Maitrise de la nature des oxydes

o Permettre une bonne imprégnation par une cire ou un polymère
 Augmentation de la résistance à la corrosion.

Il est possible de mesurer la composition complète de l’atmosphère du four en mesurant le taux de dissociation de l’ammoniac et la teneur en oxygène par l’intermédiaire d’une sonde.

L’installation :

La figure 1 montre la disposition générale de cette ligne de nitruration
Elle est équipée d’un four fixe pouvant recevoir des tailles de charge de 300X300X600 mm
Pour un poids brut de 100 kg.
D’une armoire gaz et débitmètres d’un craqueur d’ammoniaque d’un chargeur manuel.
Un analyseur NH3
Un manipulateur manuel pour le chargement et déchargement du four.

Les gaz :

Le tableau débitmetrique de l’installation est composé de deux débitmètres massique d’ammoniac, d’un débitmètre d’azote pour la purge, la sécurité et le cycle, d’un débitmètre d’H2O et d’air pour la post-oxydation
D’un débitmètre d’air pour la pré- oxydation. D’un débitmètre massique de propane pour la nitrocarburation.

Fig. 3

Description du four :

• Homogénéité de température +/- 3°C grâce à un système de chauffage radial monté en trois zones indépendantes avec une régulation en cascade.
• Trois thermocouples placés à l’intérieur de la cloche permettant un contrôle parfait des températures.
• Circulation forcé des gaz dans un réacteur parfait et cylindrique
• Changement rapide de l’atmosphère
• Plusieurs procédés de traitement thermique (nitruration, nitrocarburation, pré et post-oxydation recuit et revenu sous protection gazeux.
• Débitmètres massiques pour une précision de mesure de débits
• Vitesse de la turbine réglable par un variateur de vitesses
• Possibilité de montée en température jusqu’à 800°C
• Refroidissement des pièces jusqu’à l’ambiant sous H2 (aspect des pièces très belle)
• Equipé d’un ventilateur de refroidissement performant permettant de refroidir la charge rapidement.
• Possède une burette de dissociation pour contrôle manuel du taux de dissociation
• D’une sonde à oxygène
• D’une injection d’H20 par pulvérisation (H2O/N2 ou H2O/air pour la post-oxydation)
• D’un bruleur d’échappement des gaz garantissant aucune odeur d’ammoniac
• Sortie de gaz refroidit et équipée d’un point bas afin de récupérer les dépôts de chlorure d’ammonium et facilite l’emploi du chlorure d’ammonium pour le décapage des aciers inox.
• Electrovannes des gaz dangereux doublés par sécurité

Le four est équipé d’un analyseur Nh3, pour la régulation du kn

Et d’une sonde pour la régulation du Ko

Le système informatique AXron :

Le système de supervision est supporté par un serveur ou par un PC standard du marché, équipé de DVD, DAT, modem, onduleur et exploité par Windows XP ou 2003. Le produit est complètement ouvert vers d’autres applications (ODBC, liens OLE, XML) et vers d’autres systèmes d’information, par exemple SAP ou Microsoft Dynamics.

Grace au système entièrement ouvert il est possible de moduler les gammes à volonté. (Idéal pour des tests ou pré essais) Nombre de blocs indéfinis. Dans chaque bloc l’opérateur peut ajuster tout les paramètres suivant :
Température, temps de maintien, vitesse de montée en température, vitesse de la turbine, régulation en Kn ou en % Nh3, ajout de gaz additionnel mesure du Ko, régulation avec analyseur NH3 etc.
Archivage des courbes, des gammes, des alarmes des débits.
Traçabilité
Départ des gammes programmé par horloge.
Modification de tous les paramètres en ligne etc.

Avantage d’une telle installation :

• Ligne semi automatique (seul le chargement est manuel)
• Modulable à souhait
• Plusieurs traitements (nitruration, nitrocarburation, revenu, recuit, oxydation)
• Plusieurs types de gaz (N2, ammoniac craqué (25%N2+75%H2) ou NH3)
• Mise en condition du four immédiatement
• Très faible consommation électrique, gaz eau
• Possibilité de traiter des pièces longues
• Aucun génie civil
• Construction mécanique simple
• Equipée de l’informatique de notre partenaire AXron de dernière génération
• Intégrable en ligne de production
• Nitruration d’inox
• Reproductibilité des résultats
• Modem incorporé pour dépannage éventuel ou modifications sur demande du client
• Aucun vide et problème lié au vide (étanchéité, entretien de la pompe…)
• Possibilité de rajouter un bac de trempe gaz à l’azote pour un refroidissement rapide afin de tremper après la nitruration dans le but d’éviter la précipitation des nitrures et des carbonitrures. Ou d’accélérer le refroidissement dans le but de gagner du temps de cycle (productivité).

Exemple de cycle :

Fig. 6

Phase 1 :

C’est la phase de pré-oxydation qui à pour but d’éliminer au mieux les impuretés se trouvant en surface de la pièce. De l’air est utilisé ou du chlorure d’ammonium pour des aciers fortement alliés. En chauffant du gaz chlorhydrique se dégage et agit comme agent dépassivant.

Phase 2 :

Phase de montée en température. Tout d’abord une purge à l’azote est réalisé puis la montée en température se fait suivant le gaz désiré :(N2), (NH3), (N2/3H2), (NH3 + N2/3H2), (NH3 + N2).

Phase 3-4-5 :

La phase de nitrocarburation ou de nitruration. Un Kn peut être régulé en plusieurs blocs. En nitrocarburation on ajoutera du propane qui sera régulé en fonction du débit d’ammoniac.

Phase 6 :

Phase de chute à température sous azote si la post oxydation se fera avec de l’air et sous Nh3 par exemple si la post-0xydation s’effectuera sous H20.

Phase 7 :

Phase de post-oxydation entre 450°C et 570°C qui peut s’effectuée sous différents type de gaz oxydants.

Phase 8 :

Phase de refroidissement sous gaz de protection si pas de post-oxydation ou défournement direct après post-oxydation.

Phase 9 :

Phase de déchargement à température ambiante ou légèrement supérieure.