Nitruration des aciers : gazeuse, ionique, profondeurs et duretés

La nitruration fait diffuser de l'azote à la surface d'un acier, à une température comprise environ entre 400 et 580 °C. L'azote se combine au fer et aux éléments d'alliage pour former des nitrures très durs. La pièce gagne une surface résistante à l'usure, au grippage et à la fatigue, sans passer par une trempe. Les déformations restent faibles, ce qui permet de traiter des pièces finies : arbres, pignons, vis d'extrusion, chemises, matrices, outillages, pièces hydrauliques.

Ce que produit le traitement

Une pièce nitrurée présente deux zones distinctes :

• La couche de combinaison, appelée aussi couche blanche, en surface. Épaisse de quelques micromètres à une vingtaine, elle est très dure et résiste au frottement et à certaines formes de corrosion. Selon l'application, on la recherche ou on la limite, car elle peut être fragile.
• La couche de diffusion, en dessous, sur une profondeur de quelques dixièmes de millimètre. La dureté y décroît progressivement jusqu'à celle du cœur. C'est elle qui porte la tenue en fatigue et en pression de contact.

La dureté atteinte dépend surtout de l'acier. Les aciers spécialement conçus pour la nitruration, alliés au chrome, au molybdène, au vanadium ou à l'aluminium, comme le 31CrMoV9 ou le 34CrAlNi7, dépassent couramment 800 HV en surface. Un 42CrMo4 atteint des valeurs plus modestes. Les aciers à outils et certains inox montent très haut. Les aciers non alliés se nitrurent peu en profondeur : on leur préfère la nitrocarburation. Les aciers de nitruration sont décrits par la NF EN 10085.

Gazeuse, ionique ou bain de sels

La nitruration gazeuse

Les pièces sont chauffées dans un four sous atmosphère d'ammoniac dissocié, avec un pilotage du potentiel nitrurant. Le procédé traite de grandes charges et des formes complexes, y compris les alésages longs. Les cycles sont longs, de plusieurs heures à plusieurs dizaines d'heures pour les fortes profondeurs.

La nitruration ionique ou plasma

Les pièces sont placées dans une enceinte sous vide, avec un mélange d'azote et d'hydrogène. Une décharge électrique crée un plasma qui active la surface. Le procédé permet de traiter à plus basse température, de maîtriser finement la couche de combinaison et de masquer simplement par caches mécaniques. Il convient bien aux pièces de précision et aux outillages. La nitruration ionique demande en revanche un montage soigné, car les trous étroits et les fentes se traitent moins facilement.

La nitrocarburation

Elle ajoute du carbone à l'azote, sur des cycles plus courts. Elle se pratique en bain de sels, en gaz ou en plasma. Elle produit surtout une couche de combinaison anti-usure et anti-grippage, parfois suivie d'une oxydation qui améliore la tenue à la corrosion et donne un aspect noir.

Des applications typiques

Les vilebrequins et arbres à cames, les pignons de boîtes de vitesses peu chargés, les vis et fourreaux d'extrudeuses plastiques, les tiges de vérins, les matrices de forge et d'extrusion d'aluminium, les moules d'injection et les poinçons sont des clients historiques de la nitruration. Leur point commun : une surface qui frotte ou qui subit des pressions de contact, et une géométrie qui ne supporterait pas les déformations d'une trempe.

Préparer les pièces

Une nitruration réussie se prépare en amont :

• Traitement préalable. Les aciers alliés sont livrés trempés et revenus, avec un revenu effectué au-dessus de la température de nitruration, pour que le cœur ne bouge plus pendant le traitement.
• Détensionnement. Sur les pièces longues ou fortement usinées, un recuit de détente avant la finition évite les déformations lors de la nitruration.
• Propreté. Les pièces doivent arriver exemptes d'huile, de résidus de rectification et de marquage.
• Arêtes. Les arêtes vives se chargent en azote et deviennent fragiles : un léger chanfrein est préférable.

Spécifier la nitruration sur le plan

Une spécification utile indique au minimum :

• la dureté superficielle, avec la méthode et la charge de mesure, par exemple en HV ;
• la profondeur de nitruration, exprimée selon l'ISO 18203, souvent notée Nht : la profondeur à laquelle la dureté dépasse celle du cœur d'une valeur conventionnelle ;
• l'épaisseur de la couche de combinaison, si elle doit être maîtrisée ou supprimée ;
• les zones à épargner.

Écrire « nitrurer » sans valeur expose à recevoir des pièces conformes au procédé de l'atelier mais pas à votre besoin.

Les facteurs de coût

• La durée du cycle, directement liée à la profondeur demandée.
• Le remplissage du four : une petite série peut attendre une charge complète, ou payer une charge dédiée.
• Le masquage et le montage des pièces.
• Le procédé : gazeux, plasma ou bain de sels n'ont ni les mêmes équipements ni les mêmes temps.
• Les contrôles : éprouvette témoin, filiation de dureté, examen métallographique de la couche.

Le dossier pour un devis rapide

Indiquez la nuance d'acier et son état, le plan ou les dimensions et le poids, les valeurs de dureté et de profondeur, les zones à épargner, les quantités et la cadence, ainsi que les rapports attendus. Les traiteurs thermiques pourront alors proposer le procédé adapté : demandez un devis de nitruration en joignant ces éléments.

Choisir un traiteur thermique

Vérifiez les procédés réellement disponibles, la taille des fours, la présence d'un laboratoire de métallographie et les qualifications sectorielles : IATF 16949 pour l'automobile, Nadcap pour l'aéronautique. Comparez les ateliers dans la liste des traitements thermiques et de surface, et lisez la fiche métier pour situer la nitruration face à la trempe, et notre comparatif cémentation ou nitruration pour choisir entre les deux. Pour une protection anti-usure par dépôt, voyez aussi le chromage dur.