La carbonisation consiste à introduire du carbone (C) dans l'acier. Pour ce faire, la pièce est chauffée à une température de 815 à 980 °C et le carbone est diffusé à une concentration de 0,7 à 1,0 % dans la couche de surface. Ensuite, la pièce est rapidement refroidie par trempe dans l'eau ou l'huile, ce qui fait que la couche extérieure contenant plus de carbone se transforme d'austénite en martensite et acquiert une dureté élevée. La pièce est ensuite trempée à 550 °C pendant 1 heure. La dureté typique est de 800 - 850 HV et l'épaisseur de la couche durcie est comprise entre 0,2 et 2 mm. La dureté et la profondeur du durcissement dépendent de la quantité de C et de la profondeur de diffusion du C dans l'acier.

Selon la source de carbone, on distingue les méthodes suivantes :  

• Carburation au gaz : le four contient une atmosphère constituée de gaz riches en carbone tels que le méthane, le propane, le CO. On peut également ajouter du N₂ ou du NH₃ (carbonitruration). La durée du processus varie de 15 minutes à 8 heures. Avec un temps de traitement de 2 heures, on obtient généralement une profondeur de durcissement de 1 mm.
• La carbonitruration en bain de sel est effectuée dans un bain de sels de cyanure fondus à une température de 850 - 950 °C. C'est un procédé rapide qui permet d'atteindre des profondeurs de durcissement élevées.
• Dans la carbonisation en paquet, la pièce est entourée d'une forme solide de carbone (graphite, coke, charbon de bois) et placée dans une boîte hermétique. En fait, il s'agit également d'une forme de carbonisation gazeuse, car il se forme du gaz CO, qui réagit pour former du CO₂ et du C atomique à la surface de la pièce. La température est de 800 à 850 °C pour des temps de traitement de 2 à 36 heures.

Dans la carbonitruration, N est introduit dans la surface en plus de C, par exemple en ajoutant NH₃ aux gaz dans la carbonitruration gazeuse. La carbonitruration s'effectue à une température légèrement inférieure (760 - 870 °C). La présence de N dans la couche de surface augmente la dureté et le processus est moins critique lors de la trempe dans l'eau ou l'huile.

La carbonisation et la carbonitruration sont appliquées aux aciers non alliés et faiblement alliés dont la teneur en carbone est inférieure à 0,25%.

Les principales propriétés du procédé sont :

• L'augmentation de la résistance à l'usure (abrasive et adhésive) grâce à la couche de surface dure,
• L'amélioration de la résistance à la fatigue par l'incorporation de contraintes de compression dans la couche de surface,
• La résistance à la corrosion reste inchangée par rapport au matériau de base.

Les applications se situent dans l'ingénierie mécanique et les systèmes de transmission pour le traitement des pièces soumises à la fatigue et à l'usure. Par exemple, les engrenages, les arbres, les axes de piston, les soupapes, les maillons de chaîne, les roulements à rouleaux.

Roulement à rouleaux carbonisé et trempé en acier 20NiCrMo7                        Pignons coniques carbonisés et trempés en acier 16MnCr5