Sommaire
La cémentation de l'acier enrichit la surface en carbone vers 900 °C, puis la pièce est trempée : on obtient une couche très dure et profonde (souvent plusieurs dixièmes de millimètre à plus d'un millimètre) sur un cœur tenace, idéale pour les engrenages et arbres très chargés, au prix de déformations qui imposent souvent une rectification. La nitruration diffuse de l'azote vers 500 °C, sans trempe : la couche est moins profonde mais très dure, et les pièces ne se déforment presque pas, ce qui permet de les traiter finies. La carbonitruration se situe entre les deux, pour les petites pièces de série.
Deux façons de durcir la surface
Les deux traitements partent du même besoin : une pièce qui doit résister à l'usure, au frottement ou à la fatigue de contact en surface, tout en gardant un cœur capable d'encaisser les chocs sans casser. Une pièce entièrement trempée serait dure partout, mais fragile. La solution consiste à durcir seulement la couche externe.
La cémentation ajoute du carbone. On part d'un acier pauvre en carbone, donc tenace mais peu trempant. Chauffé vers 900 °C dans une atmosphère riche en carbone, il en absorbe en surface sur une profondeur qui dépend du temps de traitement. La trempe qui suit durcit fortement la couche enrichie, tandis que le cœur, resté pauvre en carbone, durcit peu. Un revenu à basse température stabilise l'ensemble. Le principe général de la trempe et du revenu est expliqué dans le guide des traitements thermiques des aciers.
La nitruration ajoute de l'azote, à une température bien plus basse, autour de 500 °C. L'acier n'est pas transformé comme lors d'une trempe : l'azote forme avec le fer et les éléments d'alliage des nitrures très durs, dans une couche de diffusion surmontée d'une fine couche de combinaison. Aucune trempe n'est nécessaire. La page nitruration des aciers détaille les variantes gazeuse, ionique et en bain de sels.
Le comparatif
| Critère | Cémentation | Carbonitruration | Nitruration |
|---|---|---|---|
| Élément apporté | Carbone | Carbone et azote | Azote (et carbone en nitrocarburation) |
| Température | Élevée, environ 900 °C | Un peu plus basse | Basse, autour de 500 °C |
| Trempe | Oui | Oui | Non |
| Profondeur courante | Plusieurs dixièmes de mm à plus de 1 mm | Faible à moyenne | Faible, souvent quelques dixièmes de mm au plus |
| Déformations | Notables | Modérées | Très faibles |
| Aciers types | Aciers de cémentation bas carbone (16MnCr5, 20MnCr5, 18CrNiMo7-6) | Aciers peu alliés | Aciers de nitruration, aciers alliés trempés-revenus (42CrMo4) |
| Reprise après traitement | Rectification fréquente | Parfois | Rarement |
| Usages typiques | Engrenages et arbres très chargés | Petites pièces de série, visserie, axes | Pièces de précision, outillages, vilebrequins, glissières |
Comment choisir
Si la pièce supporte de fortes pressions de contact, comme les dentures d'engrenages de transmission très chargées, la cémentation est souvent la bonne réponse. Sa couche profonde supporte la contrainte qui s'exerce sous la surface, là où la nitruration, plus mince, pourrait céder.
Si la pièce doit rester précise et ne peut pas être reprise, la nitruration s'impose. Moules, outillages, arbres de précision, glissières et pièces longues et fines y gagnent : on les usine à la cote finale, on les traite, et elles restent dans leurs tolérances.
Si la pièce est petite et produite en grande série, la carbonitruration offre un bon compromis de coût et de déformation.
Si la pièce doit aussi mieux résister à la corrosion ou au grippage, la nitruration et surtout la nitrocarburation apportent un bénéfice que la cémentation n'offre pas.
Profondeur et dureté : les écrire correctement
La profondeur de cémentation ne se lit pas à l'œil. Elle se mesure sur une coupe, en relevant la dureté de la surface vers le cœur, et se définit comme la distance à laquelle la dureté descend sous une valeur conventionnelle. La norme ISO 18203 fixe ces méthodes pour les couches cémentées, nitrurées et trempées superficiellement.
Une spécification complète indique donc :
- le traitement : cémentation, carbonitruration ou nitruration ;
- la dureté de surface visée, avec sa tolérance, en HRC ou en HV ;
- la profondeur conventionnelle, avec sa tolérance et la norme de mesure ;
- les zones à épargner, protégées par un masquage ;
- la dureté à cœur si elle compte.
Les contrôles qu'un traiteur sérieux doit pouvoir fournir sont décrits dans la fiche métier du traitement thermique et de surface.
Les défauts à surveiller
Chaque procédé a ses risques propres, qu'un bon traiteur maîtrise et qu'un acheteur doit connaître.
En cémentation, la trempe peut déformer les pièces longues ou dissymétriques, et une surface trop riche en carbone peut contenir de l'austénite résiduelle ou des carbures qui fragilisent la couche. Une rectification trop agressive après traitement peut aussi brûler la surface et créer des fissures : c'est une opération à confier à un atelier qui connaît les pièces cémentées.
En nitruration, la couche de combinaison peut être trop épaisse et s'écailler sous des contraintes de contact, d'où l'intérêt de la limiter ou de la retirer sur certaines pièces. Les angles vifs concentrent l'azote et deviennent fragiles. La pièce doit avoir été trempée et revenue à une température supérieure à celle de nitruration, sinon le traitement modifie le cœur.
Dans les deux cas, demandez des éprouvettes témoins traitées avec la charge, sur lesquelles la profondeur et la dureté seront mesurées sans détruire de pièce.
Ce qui fait le coût
Le prix d'un durcissement superficiel dépend de la durée du cycle, et donc de la profondeur demandée : une couche plus profonde demande un temps de four plus long, surtout en nitruration. Il dépend aussi du masquage des zones épargnées, de la taille des pièces, du contrôle demandé et, pour la cémentation, de la rectification qui suit. Une nitruration sur pièce finie peut ainsi revenir moins cher, au total, qu'une cémentation suivie de reprises.
Pour comparer des offres, consultez les ateliers de traitement thermique référencés ou demandez directement des devis de cémentation ou de nitruration, avec la nuance, le plan et la spécification de dureté.
Photos : cottonbro studio, Auto Tech sur Pexels.
