Etude des cinétiques d'oxydation et de nitruration appliquées aux aciers électriques à grains orientés

On the kinetics of oxidizing and nitriding applied to grain-oriented electrical steels

• Auteur / Autrice : Flavien Delarbre
• Direction : Laurent Barrallier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Matériaux (AM)
• Date : Soutenance en 2025
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MSMP - Laboratoire Mécanique, Surfaces, Matériaux & Procédés
• Jury : Président / Présidente : Brigitte Bacroix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Monceau, Laurent Barrallier, Sébastien Jegou, Mihaela Teodorescu, Julien Teixeira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Monceau, Julien Teixeira

Mots clés

Mots clés libres

Acier électrique

Grains orientés

Nitruration

Oxydation

Décarburation

Electrical steel

Oriented grains

Nitriding

Oxidizing

Decarburizing

Résumé

Afin de répondre aux différents enjeux environnementaux, les aciers électrique assurant la conversion électrique ont connu de nombreux développements ces dernières années. Ceci se traduit par une optimisation de leur texture de Goss d'orientation {110} <001>. Cette dernière est obtenue à la suite de nombreuses étapes de traitements comprenant les deux traitements thermochimique étudiés dans cette thèse : une décarburation sous atmosphère oxydante et une nitruration haute température. En plus d'assurer une élimination du carbone et la formation d'une couche d’oxyde interne de silicium, la décarburation permet une recristallisation du matériau, éliminant alors les effets du laminage sur la diffusion atomique. Une étude de l'influence des différents paramètres sur la microstructure est réalisé et révèle une diffusion de l'oxygène suivant les principes fondamentaux de la diffusion. Cette dernière n'est pas limitée par la précipitation d'oxydes et leur morphologie n'intervient pas dans les cinétiques de diffusion de l'oxygène. La couche d'oxyde présente une influence sur la nitruration, en permettant à la surface de se comporter comme un système Fe-N et entraînant l'augmentation de l'adsorption d'azote à la surface qui diffuse sous celle-ci pour ensuite précipiter en nitrures. Lors d'une décarburation peu effective, d'importante teneur en carbone sont relevée qui, associées à l'adsorption d'azote entraîne une transformation austénitique de la matrice, altérant potentiellement les cinétiques de traitement. Une étude paramétrique de la nitruration des aciers électriques a également été faite. Parmi les paramètres étudiés, seule la température a une influence notable en limitant l'adsorption de l'azote. Une optimisation des paramètres est alors possible en fonction des propriétés microstructurales souhaitées.

In order to meet the various environmental challenges, electrical steels for electrical conversion have undergone a number of developments in recent years. This is reflected in an optimization of their Goss texture orientation {110} <001>. The latter is obtained following numerous processing stages, including the two thermochemical treatments studied in this thesis: decarburization in an oxidizing atmosphere and high-temperature nitriding. In addition to removing carbon and forming an internal silicon oxide layer, decarburization recrystallizes the material, eliminating the effects of rolling on atomic diffusion. A study of the influence of the various parameters on the microstructure is carried out and reveals oxygen diffusion following the fundamental principles of diffusion. Oxygen diffusion is not limited by oxide precipitation, and oxide morphology has no influence on oxygen diffusion kinetics. The oxide layer has an influence on nitriding, allowing the surface to behave like an Fe-N system and leading to increased nitrogen adsorption at the surface, which diffuses underneath and then precipitates as nitrides. When decarburization is ineffective, high carbon content is observed which, combined with nitrogen adsorption, leads to austenitic transformation of the matrix, potentially altering processing kinetics. A parametric study of the nitriding of electrical steels was also carried out. Among the parameters studied, only temperature has a significant influence in limiting nitrogen adsorption. Parameters can then be optimized according to the desired microstructural properties.