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Tarek MARRAY, Docteur de l’Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers sous la co-direction ECAM ENSAM.

Ingénieur ENSAM, Tarek MARRAY présente sa thèse "Elaboration de pièces carbonitrurées par la technologie MIP (Moulage par Injection de Poudres)" le 18 décembre 2012 à Aix-en-Provence. Son travail, 3 ans de recherche, a été codirigé par l'ECAM Lyon, encadré par Philippe JACQUET, Docteur en Procédés de Fabrication. Ainsi il a reçu le titre de Docteur de l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers, spécialité Mécanique et Matériaux.

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 se base sur 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 et 20 % de porosité (obtenu par diminution de la durée du pallier de frittage) montre cependant que le taux de porosité influence la profondeur de traitement.