I&T : La huitième édition des États généraux des technologies sans Chrome VI, organisée du 23 au 24 janvier, a fait le point sur les avancées technologiques dans les traitements de surface apportant une alternative à l’usage des sels de Chrome hexavalent. D’abord, quelle est l'importance du chromage dur dans l'industrie ?
Sylvain Testanière : Le chromage dur revêt une importance cruciale dans l'industrie, tant pour la fabrication que pour la maintenance des pièces. Il offre des surfaces résistantes à l'usure et à la corrosion, indispensables pour une multitude d'équipements allant des tiges de piston hydrauliques aux moyeux d'hélice, en passant par les trains d'atterrissage et les canons pour le secteur militaire, par exemple.
Malgré ses avantages, le chromage dur présente un inconvénient majeur : l'utilisation de chrome hexavalent (Cr VI), reconnu comme agent cancérigène. Cette réalité, associée à la production de déchets toxiques lors du traitement des métaux, a suscité une réévaluation de son utilisation. Toutefois, le coût du passage à des alternatives conformes au programme Reach, qui prévoit des restrictions à l’usage du Cr VI en fin d’année 2024, est estimé à plusieurs millions d'euros. De plus, trouver une alternative adéquate s'avère complexe, car aucun procédé de traitement de surface actuel ne couvre entièrement toute la gamme d'applications du chromage dur.
En quoi consiste la difficulté à trouver une alternative ?
Pendant des décennies le chromage dur a été largement utilisé dans plusieurs industries, notamment l'aérospatial, en raison de ses remarquables propriétés de résistance à la corrosion et à l'usure, avec des niveaux de dureté de 1 000 Vickers (HV), et offre après polissage final un excellent état de surface dans une large gamme d’applications. Trouver un substitut implique de combler tous ces aspects, ce qui représente un défi considérable.
Les différentes fonctions des pièces exigent des caractéristiques spécifiques de dépôt, en termes d’épaisseur, de dureté, d’adhérence et de l’état de surface, ainsi qu'une adaptation du revêtement aux conditions d'utilisation, qu'elles soient à chaud, à froid ou dans des milieux très agressifs. Actuellement, on constate que les différentes alternatives peuvent répondre à certaines fonctions, mais ne parviennent pas toujours à répondre pleinement à des exigences multiples.
Bodycote présente une solution qui couvre certains aspects de ce type de traitements, celle de la nitrocarburation par voie gazeuse…
Habituellement, on cherche à remplacer le chromage dur, qui est un dépôt, par un autre dépôt. Mais comme mentionné plus tôt, il y a des applications ou ce type de traitement, du chromage dur ou du cadmiage (application d'une couche de cadmium par électrolyse, ndlr), a pu être choisi par routine industrielle ou par défaut. Lorsque l’on regarde de plus près, compte tenu des cahiers des charges aujourd’hui plus précis, les performances de tenue à la corrosion et de dureté demandées peuvent finalement ne pas être hautement contraignantes. Donc, au lieu d’un dépôt, on préfèrera sur certaines pièces, pour lesquelles les exigences géométriques le permettent, l’application d’un traitement de diffusion.
On propose ainsi la nitrocarburation par voie gazeuse. Variante du processus de nitruration, il s’agit d’un processus de diffusion thermochimique où des atomes d’azote, de carbone sont diffusés dans la surface de la pièce en acier, formant une couche de combinaison en surface, et une couche de diffusion. Concrètement, avec la nitruration, vous allez avoir une augmentation de la dureté, et en ajoutant le carbone, cela va aider la nitruration en dureté superficielle sur d’aciers plus faiblement alliés. Avec la post-oxydation, on va augmenter la tenue à la corrosion, la résistance à l’usure et à la fatigue.
Comment ce procédé est-il mis en œuvre pour renforcer la pièce ?
La nitrocarburation s’effectue à des températures modérées et implique la diffusion d’azote et de carbone dans la surface de l’acier au carbone afin d’obtenir une couche nitrurée plus dure tout en conservant les caractéristiques mécaniques de départ et avec une couche de combinaison très mince en surface. Le processus se déroule en plusieurs étapes : la pièce en acier faiblement allié est d’abord nettoyée pour éliminer les contaminants et assurer une surface propre, puis elle est placée dans un four qui va monter à 520/580°C.
Des gaz réactifs tels que l'ammoniac (NH3) et un gaz carburant (endothermique CO/CO2, méthane CH4 ou autre) sont introduits, provoquant une réaction thermochimique. À haute température, l'ammoniac se dissocie pour libérer de l'azote (N) et de l'hydrogène (H), tandis que le gaz carburant se décompose en en libérant en particulier carbone (C) et hydrogène (H). Ces éléments réagissent avec la surface du métal pour former des couches superficielles de nitrures et carbonitrures de fer. Une fois le traitement terminé, la pièce est refroidie et peut être soumise à des étapes de finition.
Ce procédé de nitrocarburation n’est pas récent, comment l’avez-vous optimisé ?
Le premier processus de nitrocarburation est issu d’une nitruration basse pression que nous avons breveté dans les années 1980 : le procédé Nitral et sa variance Carbonitral. L’innovation que nous avons apportée concerne le dopage au carbone qu’on ajoute au traitement de nitruration ou encore du soufre pour réaliser une sulfo-nitrocarburation. L’amélioration concerne aussi des aspects écologiques puisque ce traitement, par le passé, se faisait en bain de sel cyanuré. Aujourd'hui, nous avons des fours de nitrocarburation gazeuse qui nous permettent de nous affranchir de ces bains. Le pilotage optimisé des taux de dissociation et la mesure en continu du potentiel nitrurant a donné lieu à une recette spécifique et breveté, le Corr-I-Dur.
Actuellement, les optimisations se poursuivent sur sa mise en œuvre. La réussite de la nitrocarburation repose sur un équilibre délicat entre la dissociation des gaz, les débits et la pression, en fonction des nuances d'acier et des exigences de la pièce à traiter. L'adaptation constante des paramètres du procédé aux nouvelles nuances d'acier et à ses propriétés permet de garantir des résultats optimaux tout en veillant à respecter les contraintes environnementales.
Ce procédé s’adresse-t-il principalement aux aciers ?
Pour la nitrocarburation post oxydée, on se focalise principalement sur les aciers. Ce qui est un atout dans un contexte tendu d’approvisionnement en aciers alliés. Ce procédé permet en effet à des clients d’utiliser des aciers de construction classiques. En rajoutant du carbone dans la nitruration, on peut atteindre des duretés qui rendent des aciers courants, non alliés, très intéressants et qualifiables pour les cahiers de charges de l’industrie aéronautique, par exemple, couvrant une partie des revêtements qui seront prochainement soumis à restriction voire interdits par Reach.
Quelles sont les performances obtenues ?
Une fois les pièces traitées en nitrocraburation, on effectue un contrôle de profondeur et de dureté. On réalise également une inspection micrographique pour observer la structure des couches traitées et vérifier la conformité métallurgique. En termes de caractéristique, on va obtenir des profondeurs de traitement entre cinq centièmes et trois dixièmes pour ce qui est des cycles standards. En dureté, grâce à la nitrocarburation, un acier qui n'est pas spécifiquement destiné à la nitruration va monter à 700 voire 900 HV. Enfin, grâce à la qualité des couches post oxydées, on peut garantir une bonne tenue à la corrosion de plus de 100 heures en brouillard salin.
Quels domaines peuvent bénéficier de cette alternative ?
Nous pouvons travailler sur toutes les pièces qui sont confrontées à l’usure. Cela peut être des composants aéronautiques, de transmission de puissance et des réducteurs à engrenages. On travaille aussi sur de petits composants soumis aux micromouvements. Les applications incluent aussi les broches, les cames, les matrices, les tiges de piston hydrauliques, le domaine de la machine spéciale, et les pièces automobiles.
