Ⅰ.Le concept de base du traitement thermique.
A. Le concept de base du traitement thermique.
Les éléments de base et les fonctions detraitement thermique:
1. Chauffage
Le but est d'obtenir une structure austénite uniforme et fine.
2. Tenue
L’objectif est de garantir que la pièce est bien chauffée et d’empêcher la décarburation et l’oxydation.
3. Refroidissement
L’objectif est de transformer l’austénite en différentes microstructures.
Microstructures après traitement thermique
Au cours du processus de refroidissement, après chauffage et maintien, l'austénite se transforme en différentes microstructures selon la vitesse de refroidissement. Ces microstructures présentent des propriétés différentes.
B. Le concept de base du traitement thermique.
Classification basée sur les méthodes de chauffage et de refroidissement, ainsi que sur la microstructure et les propriétés de l'acier
1. Traitement thermique conventionnel (traitement thermique global) : revenu, recuit, normalisation, trempe
2. Traitement thermique de surface : trempe de surface, trempe de surface par chauffage par induction, trempe de surface par chauffage à la flamme, trempe de surface par chauffage par contact électrique.
3. Traitement thermique chimique : cémentation, nitruration, carbonitruration.
4. Autres traitements thermiques : traitement thermique sous atmosphère contrôlée, traitement thermique sous vide, traitement thermique de déformation.
C. Température critique des aciers
La température critique de transformation de l'acier est une base importante pour déterminer les processus de chauffage, de maintien et de refroidissement lors du traitement thermique. Elle est déterminée par le diagramme de phases fer-carbone.
Conclusion clé :La température critique de transformation réelle de l'acier est toujours inférieure à sa température critique théorique. Cela signifie qu'une surchauffe est nécessaire lors du chauffage et un sous-refroidissement lors du refroidissement.
Ⅱ.Recuit et normalisation de l'acier
1. Définition du recuit
Le recuit consiste à chauffer l'acier à une température supérieure ou inférieure au point critique Ac₁ en le maintenant à cette température, puis en le refroidissant lentement, généralement dans le four, pour obtenir une structure proche de l'équilibre.
2. Objectif du recuit
①Ajuster la dureté pour l'usinage : obtenir une dureté usinable dans la plage de HB170~230.
②Soulage les contraintes résiduelles : empêche la déformation ou la fissuration lors des processus ultérieurs.
③Affiner la structure du grain : améliore la microstructure.
④Préparation pour le traitement thermique final : Obtient de la perlite granulaire (sphéroïdisée) pour une trempe et un revenu ultérieurs.
3. Recuit sphéroïdisant
Spécifications du processus : La température de chauffage est proche du point Ac₁.
Objectif : sphéroïdiser la cémentite ou les carbures dans l'acier, ce qui donne une perlite granulaire (sphéroïdisée).
Gamme applicable : Utilisé pour les aciers avec des compositions eutectoïdes et hypereutectoïdes.
4. Recuit diffusant (recuit d'homogénéisation)
Spécifications du processus : La température de chauffage est légèrement inférieure à la ligne de solvus sur le diagramme de phase.
Objectif : Éliminer la ségrégation.
①Pour les faiblesacier au carboneavec une teneur en carbone inférieure à 0,25 %, la normalisation est préférée au recuit comme traitement thermique préparatoire.
②Pour l'acier à teneur moyenne en carbone avec une teneur en carbone comprise entre 0,25 % et 0,50 %, le recuit ou la normalisation peuvent être utilisés comme traitement thermique préparatoire.
③Pour l'acier à teneur moyenne à élevée en carbone avec une teneur en carbone comprise entre 0,50 % et 0,75 %, un recuit complet est recommandé.
④Pour les personnes de haut niveauacier au carboneavec une teneur en carbone supérieure à 0,75 %, la normalisation est d'abord utilisée pour éliminer le réseau Fe₃C, suivie d'un recuit sphéroïdisant.
Ⅲ.Trempe et revenu de l'acier
A. Trempe
1. Définition de la trempe : La trempe consiste à chauffer l'acier à une certaine température au-dessus du point Ac₃ ou Ac₁, à le maintenir à cette température, puis à le refroidir à une vitesse supérieure à la vitesse de refroidissement critique pour former de la martensite.
2. Objectif de la trempe : L’objectif principal est d’obtenir de la martensite (ou parfois de la bainite inférieure) pour augmenter la dureté et la résistance à l’usure de l’acier. La trempe est l’un des procédés de traitement thermique les plus importants pour l’acier.
3. Détermination des températures de trempe pour différents types d'acier
Acier hypoeutectoïde : Ac₃ + 30°C à 50°C
Acier eutectoïde et hypereutectoïde : Ac₁ + 30°C à 50°C
Acier allié : 50 °C à 100 °C au-dessus de la température critique
4. Caractéristiques de refroidissement d'un milieu de trempe idéal :
Refroidissement lent avant la température « nez » : pour réduire suffisamment le stress thermique.
Capacité de refroidissement élevée à proximité de la température « Nez » : Pour éviter la formation de structures non martensitiques.
Refroidissement lent près du point M₅ : pour minimiser les contraintes induites par la transformation martensitique.
5. Méthodes de trempe et leurs caractéristiques :
1. Trempe simple : Facile à utiliser et adaptée aux petites pièces de forme simple. La microstructure obtenue est la martensite (M).
2. Double trempe : plus complexe et difficile à contrôler, utilisée pour les pièces en acier à haute teneur en carbone de formes complexes et les pièces en acier allié de plus grande taille. La microstructure obtenue est la martensite (M).
③ Trempe brisée : procédé plus complexe, utilisé pour les pièces en acier allié de grande taille et de formes complexes. La microstructure obtenue est la martensite (M).
④Trempe isotherme : Utilisée pour les petites pièces de forme complexe et exigeantes. La microstructure obtenue est une bainite inférieure (B).
6. Facteurs affectant la trempabilité
Le niveau de trempabilité dépend de la stabilité de l'austénite surfondue dans l'acier. Plus la stabilité de l'austénite surfondue est élevée, meilleure est la trempabilité, et inversement.
Facteurs influençant la stabilité de l'austénite surfondue :
Position de la courbe C : Si la courbe C se décale vers la droite, la vitesse de refroidissement critique pour la trempe diminue, améliorant la trempabilité.
Conclusion clé :
Tout facteur qui déplace la courbe en C vers la droite augmente la trempabilité de l’acier.
Facteur principal :
Composition chimique : À l'exception du cobalt (Co), tous les éléments d'alliage dissous dans l'austénite augmentent la trempabilité.
Plus la teneur en carbone est proche de la composition eutectoïde de l'acier au carbone, plus la courbe en C se déplace vers la droite et plus la trempabilité est élevée.
7. Détermination et représentation de la trempabilité
1Test de trempabilité par trempe finale : la trempabilité est mesurée à l'aide de la méthode d'essai de trempe finale.
2 Méthode du diamètre de trempe critique : Le diamètre de trempe critique (D₀) représente le diamètre maximal de l'acier qui peut être entièrement durci dans un milieu de trempe spécifique.
B. Trempe
1. Définition de la trempe
La trempe est un processus de traitement thermique dans lequel l'acier trempé est réchauffé à une température inférieure au point A₁, maintenu à cette température, puis refroidi à température ambiante.
2. Objectif de la trempe
Réduire ou éliminer les contraintes résiduelles : Empêche la déformation ou la fissuration de la pièce.
Réduire ou éliminer l’austénite résiduelle : stabilise les dimensions de la pièce.
Élimine la fragilité de l'acier trempé : ajuste la microstructure et les propriétés pour répondre aux exigences de la pièce.
Remarque importante : l’acier doit être revenu rapidement après la trempe.
3. Processus de revenu
1. Faible revenu
Objectif : réduire la contrainte de trempe, améliorer la ténacité de la pièce et obtenir une dureté et une résistance à l'usure élevées.
Température : 150°C ~ 250°C.
Performances : Dureté : HRC 58 ~ 64. Dureté et résistance à l'usure élevées.
Applications : Outils, moules, roulements, pièces carburées et composants durcis en surface.
2. Trempe élevée
Objectif : obtenir une ténacité élevée ainsi qu'une résistance et une dureté suffisantes.
Température : 500°C ~ 600°C.
Performances : Dureté : HRC 25 ~ 35. Bonnes propriétés mécaniques globales.
Applications : Arbres, engrenages, bielles, etc.
Raffinage thermique
Définition : La trempe suivie d'un revenu à haute température est appelée affinage thermique, ou simplement revenu. L'acier traité par ce procédé présente d'excellentes performances globales et est largement utilisé.
Ⅳ.Traitement thermique de surface de l'acier
A. Trempe superficielle des aciers
1. Définition du durcissement superficiel
La trempe superficielle est un procédé de traitement thermique visant à renforcer la couche superficielle d'une pièce par chauffage rapide, transformant la couche superficielle en austénite, puis refroidissement rapide. Ce procédé est réalisé sans altérer la composition chimique de l'acier ni sa structure interne.
2. Matériaux utilisés pour le durcissement superficiel et le post-durcissement de la structure
Matériaux utilisés pour le durcissement de surface
Matériaux typiques : Acier à teneur moyenne en carbone et acier allié à teneur moyenne en carbone.
Prétraitement : Procédé typique : Trempe. Si les propriétés du noyau ne sont pas critiques, une normalisation peut être utilisée.
Structure post-durcissement
Structure de surface : La couche de surface forme généralement une structure durcie telle que la martensite ou la bainite, qui offre une dureté et une résistance à l'usure élevées.
Structure du noyau : Le noyau de l'acier conserve généralement sa structure d'origine, telle que la perlite ou l'état revenu, selon le procédé de prétraitement et les propriétés du matériau de base. Cela garantit une bonne ténacité et une bonne résistance.
B. Caractéristiques du durcissement superficiel par induction
1. Température de chauffage élevée et augmentation rapide de la température : le durcissement de surface par induction implique généralement des températures de chauffage élevées et des vitesses de chauffage rapides, permettant un chauffage rapide dans un court laps de temps.
2. Structure fine des grains d'austénite dans la couche superficielle : Lors du chauffage rapide et de la trempe qui s'ensuit, la couche superficielle forme de fins grains d'austénite. Après trempe, la surface est principalement constituée de martensite fine, dont la dureté est généralement supérieure de 2 à 3 HRC à celle d'une trempe conventionnelle.
3. Bonne qualité de surface : en raison du temps de chauffage court, la surface de la pièce est moins sujette à l'oxydation et à la décarburation, et la déformation induite par la trempe est minimisée, garantissant une bonne qualité de surface.
4. Résistance élevée à la fatigue : la transformation de phase martensitique dans la couche de surface génère une contrainte de compression, ce qui augmente la résistance à la fatigue de la pièce.
5. Efficacité de production élevée : le durcissement de surface par induction convient à la production de masse, offrant une efficacité opérationnelle élevée.
C.Classification du traitement thermique chimique
Cémentation, cémentation, chromisation, siliciumisation, siliciumisation, carbonitruration, borocarburation
D.Gaz cémentation
La cémentation gazeuse est un procédé qui consiste à placer une pièce dans un four de cémentation gazeuse étanche et à la chauffer à une température qui transforme l'acier en austénite. Ensuite, un agent cémentant est versé goutte à goutte dans le four, ou une atmosphère cémentante est introduite directement, permettant aux atomes de carbone de se diffuser dans la couche superficielle de la pièce. Ce procédé augmente la teneur en carbone (% eau) à la surface de la pièce.
√Agents de carburation :
• Gaz riches en carbone : tels que le gaz de houille, le gaz de pétrole liquéfié (GPL), etc.
• Liquides organiques : tels que le kérosène, le méthanol, le benzène, etc.
√Paramètres du processus de cémentation :
• Température de cémentation : 920~950°C.
• Temps de cémentation : dépend de la profondeur souhaitée de la couche cémentée et de la température de cémentation.
E. Traitement thermique après cémentation
L'acier doit subir un traitement thermique après la cémentation.
Processus de traitement thermique après cémentation :
√Trempe + Revenu à basse température
1. Trempe directe après pré-refroidissement + revenu à basse température : la pièce est pré-refroidie de la température de cémentation juste au-dessus de la température Ar₁ du noyau, puis immédiatement trempée, suivie d'un revenu à basse température à 160~180°C.
2. Trempe unique après pré-refroidissement + revenu à basse température : après la cémentation, la pièce est lentement refroidie à température ambiante, puis réchauffée pour la trempe et le revenu à basse température.
3. Double trempe après pré-refroidissement + revenu à basse température : après la cémentation et le refroidissement lent, la pièce subit deux étapes de chauffage et de trempe, suivies d'un revenu à basse température.
Ⅴ.Traitement thermique chimique des aciers
1. Définition du traitement thermique chimique
Le traitement thermique chimique est un procédé de traitement thermique qui consiste à placer une pièce en acier dans un milieu actif spécifique, à la chauffer et à la maintenir à température, permettant ainsi aux atomes actifs du milieu de diffuser à la surface de la pièce. Cela modifie la composition chimique et la microstructure de la surface de la pièce, altérant ainsi ses propriétés.
2. Processus de base du traitement thermique chimique
Décomposition : Lors du chauffage, le milieu actif se décompose, libérant des atomes actifs.
Absorption : Les atomes actifs sont adsorbés par la surface de l'acier et se dissolvent dans la solution solide de l'acier.
Diffusion : Les atomes actifs absorbés et dissous à la surface de l'acier migrent vers l'intérieur.
Types de durcissement superficiel par induction
a.Chauffage par induction haute fréquence
Fréquence actuelle : 250~300 kHz.
Profondeur de la couche durcie : 0,5 à 2,0 mm.
Applications : Engrenages de modules moyens et petits et arbres de petite à moyenne taille.
b.Chauffage par induction à moyenne fréquence
Fréquence actuelle : 2500~8000 kHz.
Profondeur de la couche durcie : 2 à 10 mm.
Applications : Arbres plus grands et engrenages de module grand à moyen.
c.Chauffage par induction à fréquence industrielle
Fréquence actuelle : 50 Hz.
Profondeur de la couche durcie : 10 à 15 mm.
Applications : Pièces nécessitant une couche durcie très profonde.
3. Durcissement superficiel par induction
Principe de base du durcissement superficiel par induction
Effet sur la peau :
Lorsque le courant alternatif dans la bobine d'induction induit un courant à la surface de la pièce, la majeure partie du courant induit est concentrée près de la surface, tandis que presque aucun courant ne traverse l'intérieur de la pièce. Ce phénomène est appelé effet de peau.
Principe du durcissement superficiel par induction :
Grâce à l'effet de peau, la surface de la pièce est rapidement chauffée jusqu'à la température d'austénitisation (atteignant 800 à 1 000 °C en quelques secondes), tandis que l'intérieur reste quasiment froid. La pièce est ensuite refroidie par pulvérisation d'eau, ce qui permet un durcissement superficiel.
4. Fragilité du tempérament
Fragilité due au revenu dans l'acier trempé
La fragilité de revenu fait référence au phénomène selon lequel la ténacité aux chocs de l'acier trempé diminue considérablement lorsqu'il est revenu à certaines températures.
Premier type de fragilité de revenu
Plage de température : 250°C à 350°C.
Caractéristiques : Si l'acier trempé est revenu dans cette plage de température, il est très probable qu'il développe ce type de fragilité de revenu, qui ne peut être éliminée.
Solution : Évitez de tremper l’acier trempé dans cette plage de température.
Le premier type de fragilité de revenu est également connu sous le nom de fragilité de revenu à basse température ou de fragilité de revenu irréversible.
Ⅵ.Revenu
1. La trempe est un processus de traitement thermique final qui suit la trempe.
Pourquoi les aciers trempés ont-ils besoin d’être revenus ?
Microstructure après trempe : Après trempe, la microstructure de l'acier est généralement constituée de martensite et d'austénite résiduelle. Ces deux phases sont métastables et se transforment sous certaines conditions.
Propriétés de la martensite : La martensite se caractérise par une dureté élevée mais également par une fragilité élevée (en particulier dans la martensite en forme d'aiguilles à haute teneur en carbone), ce qui ne répond pas aux exigences de performance pour de nombreuses applications.
Caractéristiques de la transformation martensitique : La transformation en martensite est très rapide. Après trempe, la pièce présente des contraintes internes résiduelles pouvant entraîner des déformations ou des fissures.
Conclusion : La pièce ne peut pas être utilisée directement après la trempe ! Un revenu est nécessaire pour réduire les contraintes internes et améliorer la ténacité de la pièce, la rendant ainsi apte à l'utilisation.
2. Différence entre la trempabilité et la capacité de durcissement :
Trempabilité :
La trempabilité désigne la capacité de l'acier à atteindre une certaine profondeur de durcissement (épaisseur de la couche durcie) après trempe. Elle dépend de la composition et de la structure de l'acier, notamment de ses éléments d'alliage et du type d'acier. La trempabilité mesure la capacité de l'acier à durcir sur toute son épaisseur pendant la trempe.
Dureté (capacité de durcissement) :
La dureté, ou capacité de durcissement, désigne la dureté maximale que l'acier peut atteindre après trempe. Elle est largement influencée par la teneur en carbone de l'acier. Une teneur en carbone plus élevée entraîne généralement une dureté potentielle plus élevée, mais celle-ci peut être limitée par les éléments d'alliage de l'acier et l'efficacité du processus de trempe.
3. Trempabilité de l'acier
√Concept de trempabilité
La trempabilité désigne la capacité de l'acier à atteindre une certaine profondeur de durcissement martensitique après trempe à partir de la température d'austénitisation. En termes plus simples, il s'agit de la capacité de l'acier à former de la martensite pendant la trempe.
Mesure de la trempabilité
La taille de la trempabilité est indiquée par la profondeur de la couche durcie obtenue dans des conditions spécifiées après trempe.
Profondeur de la couche durcie : il s'agit de la profondeur entre la surface de la pièce et la région où la structure est à moitié martensitique.
Milieux de trempe courants :
•Eau
Caractéristiques : Économique avec une forte capacité de refroidissement, mais a une vitesse de refroidissement élevée près du point d'ébullition, ce qui peut conduire à un refroidissement excessif.
Application : Généralement utilisé pour les aciers au carbone.
Eau salée : Solution de sel ou d'alcali dans l'eau, qui a une capacité de refroidissement plus élevée à haute température par rapport à l'eau, ce qui la rend adaptée aux aciers au carbone.
•Huile
Caractéristiques : Fournit une vitesse de refroidissement plus lente à basse température (près du point d'ébullition), ce qui réduit efficacement la tendance à la déformation et à la fissuration, mais a une capacité de refroidissement plus faible à haute température.
Application : Convient aux aciers alliés.
Types : Comprend l’huile de trempe, l’huile pour machine et le carburant diesel.
Temps de chauffage
Le temps de chauffage comprend à la fois la vitesse de chauffage (temps nécessaire pour atteindre la température souhaitée) et le temps de maintien (temps maintenu à la température cible).
Principes de détermination du temps de chauffage : assurer une répartition uniforme de la température dans toute la pièce, à l'intérieur comme à l'extérieur.
Assurer une austénitisation complète et que l'austénite formée soit uniforme et fine.
Base de détermination du temps de chauffage : généralement estimé à l’aide de formules empiriques ou déterminé par expérimentation.
Milieux de trempe
Deux aspects clés :
a. Taux de refroidissement : un taux de refroidissement plus élevé favorise la formation de martensite.
b. Contrainte résiduelle : une vitesse de refroidissement plus élevée augmente la contrainte résiduelle, ce qui peut entraîner une plus grande tendance à la déformation et à la fissuration de la pièce.
Ⅶ.Normalisation
1. Définition de la normalisation
La normalisation est un procédé de traitement thermique qui consiste à chauffer l'acier à une température supérieure de 30 à 50 °C à la température Ac3, à la maintenir à cette température, puis à le refroidir à l'air afin d'obtenir une microstructure proche de l'état d'équilibre. Comparée au recuit, la normalisation présente une vitesse de refroidissement plus rapide, ce qui permet d'obtenir une structure perlitique (P) plus fine et une résistance et une dureté supérieures.
2. Objectif de la normalisation
Le but de la normalisation est similaire à celui du recuit.
3. Applications de la normalisation
• Éliminer la cémentite secondaire en réseau.
• Servir de traitement thermique final pour les pièces ayant des exigences inférieures.
• Agit comme traitement thermique préparatoire pour l'acier de construction à faible et moyenne teneur en carbone afin d'améliorer l'usinabilité.
4. Types de recuit
Premier type de recuit :
Objectif et fonction : L’objectif n’est pas d’induire une transformation de phase mais de faire passer l’acier d’un état déséquilibré à un état équilibré.
Types :
• Recuit de diffusion : vise à homogénéiser la composition en éliminant la ségrégation.
• Recuit de recristallisation : restaure la ductilité en éliminant les effets de l’écrouissage.
• Recuit de détente : réduit les contraintes internes sans altérer la microstructure.
Deuxième type de recuit :
Objectif et fonction : Vise à modifier la microstructure et les propriétés, obtenant une microstructure à dominante perlite. Ce type de procédé garantit également que la distribution et la morphologie de la perlite, de la ferrite et des carbures répondent à des exigences spécifiques.
Types :
• Recuit complet : chauffe l'acier au-dessus de la température Ac3, puis le refroidit lentement pour produire une structure perlitique uniforme.
• Recuit incomplet : chauffe l'acier entre les températures Ac1 et Ac3 pour transformer partiellement la structure.
• Recuit isotherme : chauffe l'acier à une température supérieure à Ac3, suivi d'un refroidissement rapide jusqu'à une température isotherme et d'un maintien pour obtenir la structure souhaitée.
• Recuit sphéroïdal : produit une structure de carbure sphéroïdale, améliorant l'usinabilité et la ténacité.
Ⅷ.1.Définition du traitement thermique
Le traitement thermique fait référence à un processus dans lequel le métal est chauffé, maintenu à une température spécifique, puis refroidi à l'état solide pour modifier sa structure interne et sa microstructure, obtenant ainsi les propriétés souhaitées.
2. Caractéristiques du traitement thermique
Le traitement thermique ne modifie pas la forme de la pièce ; au contraire, il modifie la structure interne et la microstructure de l'acier, ce qui à son tour modifie les propriétés de l'acier.
3. Objectif du traitement thermique
Le but du traitement thermique est d'améliorer les propriétés mécaniques ou de traitement de l'acier (ou des pièces), d'exploiter pleinement le potentiel de l'acier, d'améliorer la qualité de la pièce et de prolonger sa durée de vie.
4. Conclusion clé
La possibilité d'améliorer les propriétés d'un matériau par traitement thermique dépend essentiellement des changements intervenant dans sa microstructure et sa structure au cours du processus de chauffage et de refroidissement.
Date de publication : 19 août 2024