On appelle nitrures les matériaux dont l’élément fondamental est l’azote (symbole N, du latin Nitrogenium).
On peut distinguer trois grands groupes de matériaux dits nitrures :
- Céramiques à base de silicium, comme le nitrure de silicium.
- Céramiques à base d’aluminium, comme le nitrure d’aluminium.
- Nitrures de bore et de titane
Une remarque essentielle concernant les nitrures porte sur la frittage ou cuisson : à l’exception du procédé de pressage à chaud, la frittage des nitrures nécessite l’ajout d’oxydes qui facilitent la consolidation ; techniquement, il ne s’agit donc souvent pas de nitrures purs, mais de matériaux contenant des fractions non négligeables d’autres composés qui influencent leurs propriétés. Le nitrure de silicium présente deux variétés, dites alpha et bêta, la seconde étant plus stable aux hautes températures (la phase bêta se forme de manière irréversible à 1400 °C).
Le nitrure de silicium est un matériau très utilisé dans le domaine des roulements céramiques en raison de ses propriétés telles que sa grande dureté, sa faible dilatation thermique et sa résistance à l’abrasion. Il est notamment employé pour la fabrication des billes, aussi bien pour des roulements entièrement en nitrure de silicium que pour des roulements hybrides dans lesquels les bagues sont en acier ou en d’autres matériaux céramiques comme la zircone. La densité du nitrure de silicium est environ égale à la moitié de celle de l’acier, ce qui réduit les sollicitations mécaniques et permet une utilisation à des vitesses de rotation très élevées. Excellente isolation électrique, il constitue également un matériau idéal pour limiter les phénomènes de corrosion, en particulier dans des applications telles que les moteurs électriques. Enfin, comme il est non magnétique, c’est un matériau particulièrement adapté aux applications de roulements dans lesquelles il faut éviter toute interférence avec des équipements sensibles aux champs magnétiques.
Un matériau très intéressant de la famille des nitrures mixtes est le SiAlON, qui représente en réalité un groupe de composés céramiques frittés à densité totale, dérivés du nitrure de silicium, mais avec l’ajout d’additifs à base d’oxydes tels que l’oxyde d’yttrium, l’oxyde d’aluminium et l’oxyde de silicium.
Comme les nitrures de silicium simples, les SiAlON présentent eux aussi deux formes, alpha et bêta.
Pour les nitrures comme pour les SiAlON, il est possible de moduler les fractions relatives de phase alpha et de phase bêta de façon à favoriser la croissance, au sein de la céramique, de particules allongées, ce qui confère au matériau une nette amélioration de ses propriétés mécaniques. Dans les années 1970, on a observé pour la première fois que la résistance à la rupture de nitrures monolithiques était nettement supérieure à celle prédite par les simulations numériques ; ce comportement a été attribué, puis confirmé, à la présence de particules allongées au cœur du matériau. Au cours du frittage, les particules alpha, en présence d’un additif qui facilite la consolidation (en passant à l’état liquide et en accélérant les échanges de matière), se transforment en particules aciculaires de phase bêta.
Sur la figure suivante, on voit à gauche une microstructure céramique dans laquelle les particules ont toutes des dimensions et des formes similaires, tandis qu’à droite apparaissent des particules aciculaires, donnant un véritable matériau composite renforcé ; les propriétés mécaniques qui en résultent sont nettement supérieures.
À gauche, nitrure de silicium avec des particules de même forme et de même taille, tandis qu’à droite on observe la présence de particules aciculaires.
