I. Le concept de base du traitement thermique.
A. Le concept de base du traitement thermique.
Les éléments et fonctions de base detraitement thermique:
1. Chauffage
L'objectif est d'obtenir une structure austénitique uniforme et fine.
2. Détention
L'objectif est de garantir que la pièce soit 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
Lors du refroidissement après chauffage et maintien en température, l'austénite se transforme en différentes microstructures selon la vitesse de refroidissement. Chaque microstructure présente 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 superficielle, trempe superficielle par chauffage par induction, trempe superficielle par chauffage à la flamme, trempe superficielle 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 par déformation.
C. Température critique des aciers
La température critique de transformation de l'acier est un élément essentiel pour déterminer les phases de chauffage, de maintien et de refroidissement lors des traitements thermiques. Elle est déterminée par le diagramme de phase fer-carbone.
Conclusion principale :La température de transformation critique réelle de l'acier est toujours inférieure à la température de transformation critique théorique. Cela signifie qu'une surchauffe est nécessaire lors du chauffage et une 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, à le maintenir à cette température, puis à le refroidir lentement, généralement à l'intérieur du four, pour obtenir une structure proche de l'équilibre.
2. Objectif du recuit
① Ajuster la dureté pour l'usinage : obtenir une dureté usinable dans la plage HB170~230.
② Soulager les contraintes résiduelles : Empêche la déformation ou la fissuration lors des processus ultérieurs.
③ Affiner la structure granulaire : Améliore la microstructure.
④Préparation pour le traitement thermique final : Obtient de la perlite granulaire (sphéroïdisée) pour la trempe et le revenu ultérieurs.
3. Recuit de sphéroïdisation
Spécifications du procédé : La température de chauffage est proche du point Ac₁.
Objectif : Sphéroïdiser la cémentite ou les carbures présents dans l'acier, pour obtenir une perlite granulaire (sphéroïdisée).
Domaine d'application : Utilisé pour les aciers à composition eutectoïde et hypereutectoïde.
4. Recuit de diffusion (recuit d'homogénéisation)
Spécifications du procédé : La température de chauffage est légèrement inférieure à la ligne solvus sur le diagramme de phase.
Objectif : Éliminer la ségrégation.
①Pour les faibles-acier au carbonePour 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 les aciers 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 niveaux élevés-acier au carboneavec une teneur en carbone supérieure à 0,75 %, une normalisation est d'abord utilisée pour éliminer le réseau Fe₃C, suivie d'un recuit de sphéroïdisation.
III. Trempe et revenu de l'acier
A.Étanchage
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 : Le but principal est d’obtenir de la martensite (ou parfois de la bainite inférieure) afin d’accroître la dureté et la résistance à l’usure de l’acier. La trempe est l’un des traitements thermiques 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 « nasale » : afin de réduire suffisamment les contraintes thermiques.
Capacité de refroidissement élevée à proximité de la température « nasale » : pour éviter la formation de structures non martensitiques.
Refroidissement lent près du point M₅ : pour minimiser la contrainte induite par la transformation martensitique.
5. Méthodes de trempe et leurs caractéristiques :
① Trempe simple : facile à mettre en œuvre et adaptée aux petites pièces de forme simple. La microstructure résultante est de la martensite (M).
② Double trempe : plus complexe et difficile à contrôler, elle est utilisée pour les pièces en acier à haute teneur en carbone de forme complexe et les pièces en acier allié de grande taille. La microstructure résultante est de la martensite (M).
③ Trempe brisée : Procédé plus complexe, utilisé pour les pièces en acier allié de grande taille et de forme complexe. La microstructure résultante est de la martensite (M).
④ Trempe isotherme : utilisée pour les petites pièces de forme complexe présentant des exigences élevées. La microstructure résultante est de la bainite inférieure (B).
6. Facteurs affectant la trempabilité
Le degré 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 en C : si la courbe en C se déplace vers la droite, la vitesse de refroidissement critique pour la trempe diminue, améliorant ainsi la trempabilité.
Conclusion principale :
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 se rapproche de la composition eutectoïde de l'acier au carbone, plus la courbe C se décale 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 de test de trempe finale.
② Méthode du diamètre critique de trempe : Le diamètre critique de trempe (D₀) représente le diamètre maximal de l'acier qui peut être entièrement trempé dans un milieu de trempe spécifique.
B. Trempe
1. Définition du trempage
Le revenu est un procédé 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 du trempage
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.
Éliminer la fragilité de l'acier trempé : Ajuster la microstructure et les propriétés pour répondre aux exigences de la pièce.
Remarque importante : l’acier doit être revenu immédiatement après la trempe.
3. Procédés de trempe
1. Trempe à basse température
Objectif : Réduire les contraintes 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 cémentées et composants à surface durcie.
2. Trempe à haute température
Objectif : Obtenir une grande ténacité 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
Le durcissement superficiel est un traitement thermique visant à renforcer la couche superficielle d'une pièce en la chauffant rapidement pour la transformer en austénite, puis en la refroidissant tout aussi rapidement. Ce procédé est réalisé sans altérer la composition chimique de l'acier ni la structure interne du matériau.
2. Matériaux utilisés pour le durcissement superficiel et la structure post-durcissement
Matériaux utilisés pour le durcissement de surface
Matériaux typiques : Acier à moyenne teneur en carbone et acier allié à moyenne teneur en carbone.
Prétraitement : Procédé typique : Trempe. Si les propriétés du cœur ne sont pas critiques, une normalisation peut être utilisée à la place.
Structure post-durcissement
Structure de surface : La couche superficielle 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, par exemple à l’état perlitique ou revenu, selon le prétraitement et les propriétés du matériau de base. Ceci garantit au noyau une bonne ténacité et une bonne résistance.
B. Caractéristiques du durcissement superficiel par induction
1. Température de chauffage élevée et montée en température rapide : le durcissement de surface par induction implique généralement des températures de chauffage élevées et des vitesses de chauffage rapides, permettant un chauffage rapide en peu de temps.
2. Structure à grains fins d'austénite dans la couche superficielle : Lors du chauffage rapide suivi d'une trempe, la couche superficielle présente des grains fins d'austénite. Après trempe, la surface est principalement constituée de martensite fine, avec une dureté généralement supérieure de 2 à 3 HRC à celle obtenue par trempe conventionnelle.
3. Bonne qualité de surface : Grâce à la courte durée de chauffage, 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. Haute résistance à la fatigue : La transformation de phase martensitique dans la couche superficielle génère une contrainte de compression, ce qui augmente la résistance à la fatigue de la pièce.
5. Haute efficacité de production : Le durcissement de surface par induction est adapté à la production de masse, offrant une efficacité opérationnelle élevée.
C. Classification des traitements thermiques chimiques
Cémentation, Cémentation, Cémentation, Chromage, Silicionisation, Silicionisation, Silicionisation, Carbonitruration, Borocarburation
D.Gaz de 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 transformant l'acier en austénite. Ensuite, un agent de cémentation est introduit goutte à goutte dans le four, ou une atmosphère de cémentation est directement insufflée, permettant aux atomes de carbone de diffuser dans la couche superficielle de la pièce. Ce procédé augmente la teneur en carbone (en %) à la surface de la pièce.
√Agents de carburation :
•Gaz riches en carbone : tels que le gaz de charbon, 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.
• Durée 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 cémentation.
Procédé 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 à une température légèrement supérieure à 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 cémentation, la pièce est refroidie lentement 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 cémentation et 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 consistant à immerger 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. Ce procédé modifie la composition chimique et la microstructure de la surface de la pièce, et par conséquent ses propriétés.
2. Procédé 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 à haute fréquence
Fréquence actuelle : 250~300 kHz.
Profondeur de la couche durcie : 0,5 à 2,0 mm.
Applications : Engrenages de module moyen et petit 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 de grande taille et engrenages de module moyen à élevé.
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 :
Lorsqu'un courant alternatif circulant dans la bobine d'induction induit un courant à la surface de la pièce, la majeure partie de ce courant se concentre près de la surface, tandis qu'aucun courant ne traverse l'intérieur de la pièce. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet de peau.
Principe du durcissement superficiel par induction :
Grâce à l'effet de peau, la surface de la pièce est rapidement chauffée à la température d'austénitisation (atteignant 800 à 1 000 °C en quelques secondes), tandis que l'intérieur de la pièce reste quasiment froid. La pièce est ensuite refroidie par pulvérisation d'eau, ce qui permet d'obtenir un durcissement superficiel.
4. Fragilité au tempérament
Fragilité au revenu de l'acier trempé
La fragilité au revenu désigne le phénomène par lequel la résilience de l'acier trempé diminue significativement lorsqu'il est revenu à certaines températures.
Premier type de fragilité au revenu
Plage de température : 250 °C à 350 °C.
Caractéristiques : Si l'acier trempé est revenu dans cette plage de températures, il est fort probable qu'il développe ce type de fragilité de revenu, qui ne peut être éliminée.
Solution : Évitez de revenir l'acier trempé dans cette plage de températures.
Le premier type de fragilité au revenu est également connu sous le nom de fragilité au revenu à basse température ou fragilité au revenu irréversible.
VI. Trempe
1. Le revenu est un traitement thermique final qui suit la trempe.
Pourquoi les aciers trempés nécessitent-ils un revenu ?
Microstructure après trempe : Après trempe, la microstructure de l’acier est généralement composée 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 aussi par une grande fragilité (en particulier dans la martensite aciculaire à haute teneur en carbone), ce qui ne répond pas aux exigences de performance de nombreuses applications.
Caractéristiques de la transformation martensitique : La transformation en martensite est très rapide. Après trempe, la pièce présente des contraintes internes résiduelles susceptibles d’entraîner des déformations ou des fissures.
Conclusion : La pièce ne peut être utilisée directement après la trempe ! Un revenu est nécessaire pour réduire les contraintes internes et améliorer sa ténacité, la rendant ainsi utilisable.
2. Différence entre trempabilité et capacité de trempe :
Durcissement :
La trempabilité désigne l'aptitude d'un acier à atteindre une certaine profondeur de trempe (l'épaisseur de la couche durcie) après refroidissement. Elle dépend de la composition et de la structure de l'acier, notamment de ses éléments d'alliage et de son type. La trempabilité mesure la capacité de l'acier à durcir uniformément dans son épaisseur lors du processus de trempe.
Dureté (capacité de durcissement) :
La dureté, ou capacité de trempe, désigne la dureté maximale que peut atteindre un acier après trempe. Elle est fortement influencée par sa teneur en carbone. Une teneur en carbone plus élevée conduit généralement à une dureté potentielle plus importante, mais celle-ci peut être limitée par les éléments d'alliage et l'efficacité du processus de trempe.
3. Trempabilité de l'acier
√Concept de trempabilité
La trempabilité désigne l'aptitude d'un acier à atteindre une certaine profondeur de durcissement martensitique après trempe à partir de la température d'austénitisation. En d'autres termes, il s'agit de la capacité de l'acier à former de la martensite lors de la trempe.
Mesure de la trempabilité
La capacité de trempabilité est indiquée par la profondeur de la couche trempée 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 et doté d'une forte capacité de refroidissement, mais avec une vitesse de refroidissement élevée à proximité du point d'ébullition, ce qui peut entraîner un refroidissement excessif.
Application : Généralement utilisé pour les aciers au carbone.
Eau salée : Solution de sel ou d'alcali dans l'eau, qui possède une capacité de refroidissement supérieure à haute température par rapport à l'eau pure, ce qui la rend adaptée aux aciers au carbone.
•Huile
Caractéristiques : Offre une vitesse de refroidissement plus lente à basse température (proche du point d'ébullition), ce qui réduit efficacement la tendance à la déformation et à la fissuration, mais a une capacité de refroidissement moindre à haute température.
Application : Convient aux aciers alliés.
Types : Inclut l'huile de trempe, l'huile pour machines 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 pendant lequel la température cible est maintenue).
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.
Assurez-vous que l'austénitisation soit 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 l’expérimentation.
Médias d'extinction
Deux aspects clés :
a. Vitesse de refroidissement : Une vitesse de refroidissement plus élevée favorise la formation de martensite.
b. Contraintes résiduelles : Une vitesse de refroidissement plus élevée augmente les contraintes résiduelles, 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 traitement thermique consistant à chauffer l'acier à une température de 30 à 50 °C supérieure à la température Ac3, à le 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 plus fine (P) ainsi qu'une résistance et une dureté supérieures.
2. Objectif de la normalisation
L'objectif de la normalisation est similaire à celui du recuit.
3. Applications de la normalisation
•Éliminer la cémentite secondaire en réseau.
• Sert de traitement thermique final pour les pièces aux exigences moindres.
• Agir comme traitement thermique préparatoire pour les aciers de construction à faible et moyenne teneur en carbone afin d'améliorer leur usinabilité.
4. Types de recuit
Premier type de recuit :
Objectif et fonction : Le but 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 par 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 : Ce procédé vise à modifier la microstructure et les propriétés afin d’obtenir une microstructure à dominante perlitique. Il 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 à une température isotherme et d'un maintien à cette température pour obtenir la structure souhaitée.
• Recuit de sphéroïdisation : Produit une structure de carbure sphéroïdale, améliorant l'usinabilité et la ténacité.
VIII.1. Définition du traitement thermique
Le traitement thermique désigne un procédé dans lequel un métal est chauffé, maintenu à une température spécifique, puis refroidi à l'état solide afin de modifier sa structure interne et sa microstructure, et ainsi obtenir les propriétés souhaitées.
2. Caractéristiques du traitement thermique
Le traitement thermique ne modifie pas la forme de la pièce ; il altère en revanche la structure interne et la microstructure de l'acier, ce qui modifie à son tour les propriétés de l'acier.
3. Objectif du traitement thermique
Le but du traitement thermique est d'améliorer les propriétés mécaniques ou de transformation de l'acier (ou des pièces), d'exploiter pleinement le potentiel de l'acier, d'améliorer la qualité de la pièce et d'allonger sa durée de vie.
4. Conclusion principale
La possibilité d'améliorer les propriétés d'un matériau par traitement thermique dépend essentiellement des changements de sa microstructure et de sa structure pendant le processus de chauffage et de refroidissement.
Date de publication : 19 août 2024