Carbonitruration basse pression d'aciers et de pièces obtenues par la technologie MIM

par Tarek Marray

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Agnès Fabre et de Philippe Jacquet.

Soutenue le 18-12-2012

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec MécaSurf - Laboratoire de Mécanique des Surfaces (laboratoire) .

Le président du jury était Laurent Barrallier.

Le jury était composé de Agnès Fabre, Philippe Jacquet, Laurent Barrallier, Henry Buscail, Yves Bienvenu, Efrain Carreño-morelli.

Les rapporteurs étaient Henry Buscail, Yves Bienvenu.


  • Résumé

    Le traitement de carbonitruration est aujourd'hui un procédé très répandu pour augmenter la résistance mécanique des pièces en acier. Ce type de solution a fait ses preuves dans le cadre de pièces massives, mais l'oxydation interne des couches enrichies reste une limitation conséquente du traitement à pression atmosphérique.C'est dans cette optique scientifique que s'inscrit une partie de cette étude visant le développement d'un traitement de carbonitruration à basse pression, en vue d'une application industrielle. Les nombreuses investigations expérimentales réalisées sur la nuance 16MnCr5 ont permis le développement et la mise au point de deux cycles répondant à deux critères de profondeur de traitement : 0.25 — 0.4 mm et 0.7 — 1.2 mm. Les observations métallurgiques ne révèlent aucune forme de précipitation, ce qui n'est pas le cas lorsque que le traitement est appliqué à une nuance métallurgique plus fortement alliée (Fe - 0.18 %C - 3.12 % Cr - 0.7 %V -0.45 %W).D'un point de vue simulation, les outils de calculs thermodynamiques confirment et clarifient les phénomènes de précipitations observés. L'acier plus fortement allié (qui contient initialement des carbures de vanadium de type MC) présente des carbures de types M23C6 et M7C3 ainsi que des carbonitrures de types M (C, N). En complément à la détermination des phases en présence et de leur composition, une modélisation de la diffusion du carbone et de l'azote est proposée. Le modèle utilise des conditions aux limites déterminées expérimentalement, des coefficients de diffusion du carbone et de l'azote interdépendants issus de la littérature. La cinétique de refroidissement au cours de la trempe est déterminée pour alimenter le modèle de calcul de transformation de phases et simuler le profil de dureté. Le couplage des modèles développés donne des résultats très proches des profils de carbone, azote et duretés mesurés expérimentalement.Une autre partie du travail propose l'intégration du traitement de carbonitruration à basse pression au procédé de mise en œuvre MIM (Moulage par Injection de poudres Métalliques) permettant la réalisation des composants de formes complexes. Les pièces « MIM » obtenues par l'exploitation du feedstock commercial PolyMIM 16MnCr5 intégrant un système de liant soluble à l'eau présentent 10 % de porosité. Les résultats métallurgiques observés sur les pièces MIM carbonitrurées consécutivement au palier de frittage sont identiques à ceux observés sur des pièces massives. La comparaison des profils de diffusion en carbone et azote entre les pièces à 10 et20 % de porosité (obtenu par diminution de la durée du pallier de frittage) montre cependant que le taux de porosité influence la profondeur de traitement.

  • Titre traduit

    Elaboration of carbonitrided MIM parts


  • Résumé

    The carbonitriding treatment is now a widely accepted industrial process to improve the strength of treated steel parts. This type of solution has been proven in the case of massive parts, but internal oxidation of enriched layers remains a significant drawback of the treatment at atmospheric pressure.It is against this scientific backdrop that this project seeks to develop a carbonitriding treatment at low pressure for industrial application. Numerous experimental investigations carried out on the 16MnCr5 steel grade allowed the development of cycles answering two criteria of depth treatment: 0.25 - 0.4 mm 0.7 - 1.2 mm. Metallurgical observations show no form of precipitation, which however is no longer the case when the treatment is applied to a more highly alloyed steel grade (Fe - 0.18% C - 3.12% Cr - 0.7% V -0.45% W).From a simulation point of view, thermodynamic calculations confirm and clarify the precipitation phenomena observed. The more highly alloyed steel (which initially contains vanadium rich carbides of MC type) exhibits carbides of M23C6 and M7C3 type, and carbonitrides of M (C, N) type. To complement the determination of present phases and their composition, it is proposed that the diffusion of carbon and nitrogen be modeled. The model uses experimentally determined boundary conditions, and interdependent nitrogen and carbon taken from the literature. The kinetics of cooling during the quenching is determined to supply the calculation model of phase transformations and simulate the hardness profile. The coupling of developed models gives carbon, nitrogen and hardness profiles very similar to experimentally measured ones.The work also proposes the integration of the low-pressure carbonitriding treatment to the MIM (Metal Injection Moulding) process, allowing the production of complex shapes components. MIM parts obtained from the exploitation of the trade PolyMIM 16MnCr5 feedstock integrating a water-soluble binder system present 10% of porosity. Metallurgical results observed on MIM parts, carbonitrided consecutively to the sintering step are similar to those observed on massive wrought parts. Comparison of carbon and nitrogen profiles of carbonitrided MIM parts containing 10 and 20 % of porosity (obtained by reducing the length of the bearing sintering) shows that the porosity level influences the case depth of MIM parts.


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