Traitements thermiques et traitements de surface

Les caractéristiques mécaniques des aciers peuvent être améliorées grâce aux traitements thermiques et aux traitements de surface. On recherche surtout l’augmentation de la limite élastique, de la dureté et à obtenir une structure stable à grains fins. La réponse à ces traitements dépend surtout de la composition des aciers. Ainsi, différents mélanges, différents alliages ont permis d’atteindre les résistances voulues : résistance à l’usure par abrasion, résistance aux chocs, aux frottements, aux températures, résistances aux charges, à la fatigue, résistance à la corrosion, aux déformations, à la rupture…

Traitements thermiques

Le traitement thermique est une opération visant à améliorer les caractéristiques mécaniques du métal. Ces traitements peuvent être réalisés avant ou après l’usinage des pièces pour obtenir les propriétés d’emplois recherchées. On cherche souvent à améliorer la dureté. Mais en voulant améliorer une caractéristique, on modifie souvent une autre. Ainsi, l’augmentation de la dureté d’un métal est souvent accompagnée de la diminution de la résilience. Cela peut paraître paradoxal, mais en rendant un acier plus dur, on peut le rendre plus fragile, plus cassant. Ces traitements, en modifiant l’acier dans sa structure, modifient également le comportement du métal dans sa capacité à être usiné.

Le traitement thermique consiste à chauffer un métal et à le refroidir. Si cela se faisait de manière empirique autrefois, la science a permis, grâce à de nombreuses expériences, à faire progresser les connaissances et les résultats obtenus. La durée de maintien de la pièce métallique à une température donnée, la vitesse des opérations de chauffe et de refroidissement, modifient les effets du traitement thermique. Aujourd’hui, les aciéristes fournissent des courbes avec les recommandations de température de chauffe, des températures à atteindre, des temps de refroidissement…

Les traitements thermiques les plus courants sont la trempe, le revenu et les recuits.

La trempe ou traitement de durcissement par trempe

Tremper un métal consiste à le chauffer puis à le refroidir. Pour le refroidir, on peut le plonger dans un bain d’eau froide, le refroidir à l’huile ou à l’air. L’opération de trempe nécessite un four, mais peut se faire également, selon le volume de la pièce à tremper, sa composition et la température de trempe, au chalumeau et avec un thermomètre infrarouge.

La trempe est donc un traitement thermique visant à améliorer la résistance de l’acier (dureté H, résistance à la traction R, limite élastique Re). On constate  une augmentation des caractéristiques de traction et de dureté et, en même temps, une diminution des caractéristiques de ductilité (résilience, allongement).

Un acier est dit traité quand il a été trempé et qu’il a subi un traitement de revenu. Ainsi, nous trouvons dans la gamme des aciers, le 30CND8 traité, le 38/42CD4 traité…

L’acier traité est un acier trempé et revenu.

Un acier dit pré-traité signifie simplement que c’est un acier traité prêt à l’emploi.

L’état métallurgique de l’acier traité est parfois mentionné par les lettres QT (quenched and tempered=trempé et revenu) qui suivent la nuance. Exemple : 42CrMoS4 + QT (42CD4 traité).

Des aciers de taille identique, de même diamètre et de même composition réagissent différemment à la trempe en raison de la grosseur des grains qui les composent, de leur aspect extérieur (état de surface), des irrégularités de leur composition... Aussi un utilisateur est susceptible de demander le certificat d’analyse de la matière, qui est réalisé pour chaque coulée dans les laboratoires d’usine. Chaque coulée porte un numéro qui permet sa traçabilité.

L’aptitude à la trempe d’un acier est liée à sa composition. Ainsi, certains aciers alliés ont une aptitude à tremper simplement à l’aide d’un refroidissement à l’air. Ces aciers sont dits autotrempants. L’aptitude à la trempe de ces aciers dits « autotrempants » est donc remarquablement élevée en surface et à cœur, c’est-à-dire au centre de la pièce. Exemple : l’acier allié 30CND8 est autotrempant. Contrairement au 38/42CD4 dont la trempe est surtout superficielle et qui garde sa ductilité en sous-couche et par là, résistant mieux à la propagation de défauts, le 30CND8 est traité à cœur. L’avantage des aciers autotrempants est donc de tremper à l’air sans que l’utilisateur ait besoin de surveiller les températures de refroidissement et de provoquer la déformation de la pièce par le non-respect de température ou de durée du refroidissement.

Le terme hyper-trempé correspond au principal traitement thermique effectué sur les aciers inoxydables. Ce traitement vise à adoucir le métal et lui donne une plus grande souplesse tout en limitant les risques de corrosion inter-granulaire.

Le cas du soudage : l’effet thermique du soudage est comparable à une trempe. On distingue deux zones : la zone de la soudure dite zone fondue et la ZAT (zone affectée thermiquement) qui subit une modification structurale. Les traitements thermiques après soudage visent à détensionner les éventuelles contraintes résiduelles ou assurer un traitement de revenu sur les zones trempées.

Concernant les normes en vigueur, les sociétés de traitements thermiques utilisent l’EN ISO 18265 : 2013 (révision de l’EN ISO 18265 :2003) et l’ASTM A370/E140 qui définissent les conversions de dureté et les estimations de la résistance à la traction.

Le revenu

Le revenu est donc pratiqué après l’opération de trempe. Cela consiste à réchauffer de nouveau le métal (souvent 550°) après une trempe énergique pour augmenter son usinabilité en lui rendant de la ductilité. Comme l’opération de trempe, le réchauffement de l’acier provoque une modification de sa structure (de la martensite à la sorbite). L’effet le plus remarquable du revenu est la diminution notable des contraintes internes existant dans la pièce suite à la trempe en relâchant les tensions internes. On obtient ainsi des caractéristiques de résistance et de ductilité bien équilibrées.

Le recuit

Le recuit d’une pièce métallique est un procédé correspondant à un cycle de chauffe (temps de montée en température -de 500 à 900°-, temps de maintien) puis refroidissement lent ou très lent permettant de modifier les caractéristiques d’un métal. L’objectif d’un recuit est d’amener le métal vers un état d’équilibre pour faciliter son emploi (fraisage, perçage, tournage, emboutissage…). Il existe différents recuits : recuit de normalisation, d’homogénéisation, d’adoucissement, de détente…

Exemple : l’XC48 en tôle est un acier recuit normalisé ce qui signifie qu’il a reçu un traitement thermique de recuit de normalisation qui vise à donner une structure métallique avec des grains plus fins, plus uniforme et augmenter la stabilité de l’acier.

Exemple : On trouve dans la gamme des aciers vendus des 35NCD16 recuits, du 25CD4, du Z160CDV12, du Z38CDV5, de l’XC48 recuit…Ils peuvent recevoir un traitement thermique de trempe après avoir été usinés. L’état métallurgique du recuit est parfois indiqué par la lettre A (annealed) qui suit la nuance : 25CrMoS4 + A (25CD4 recuit). La lettre A  signifie que cet acier a subit un recuit d’adoucissement.

Traitements de surface

Si les traitements thermiques permettent de donner à la pièce de l’homogénéité, il peut parfois être intéressant de donner à une pièce une dureté uniquement en surface et de garder à cœur une grande résilience. On parle ici de traitements de durcissement superficiel.

Trempe superficielle

L’objectif de la trempe superficielle est d’obtenir, sur quelques millimètres, le durcissement de la partie superficielle d’une pièce d’acier en vue d’augmenter la résistance à l’usure, aux chocs et à la fatigue. La pièce garde à cœur sa ductilité. Pour cela, on effectue une trempe au chalumeau oxy-acétylénique ou par induction à haute fréquence.

Dans le cadre de la trempe au chalumeau, on obtient une dureté Brinell de 450 à 650 soit 140 à 220 kg.

Les aciers destinés à cet usage peuvent être des aciers auto-trempants, des aciers à 0.40% de carbone comme le 38/42CD4 à l’état recuit.

Les traitements par induction sont surtout utilisés sur des aciers courants et peu chers (moins chers que les aciers de cémentation) pour des productions en très grandes séries notamment  des tiges de diamètre 9 à 25 en acier C35/C45 trempés HF (trempé induction haute fréquence), chromés avec polissage pour des hayons de voiture.

On trouvera également des 42CD4 trempés HF pour des tiges de vérins.

Cémentation

Le principe de la cémentation est d’incorporer à la surface d’un acier doux (bas carbone) une quantité suffisante de carbone pour donner les propriétés d’un acier dur. Le centre de la pièce garde sa résilience, caractéristique des aciers doux. Les aciers utilisés sont des aciers bas-carbone comme l’XC18, le 16NC6 (acier nickel-chrome de cémentation), le 25CD4 ou le 20MC5 (Euracier). Ces aciers, faciles à usiner et surtout utilisés pour des pièces de petites dimensions, reçoivent, après leur cémentation, un recuit suivi d’une trempe pour obtenir une dureté optimale.

Nitruration

La nitruration est un traitement de surface qui consiste à enrichir en azote la zone superficielle d’une pièce d’acier. Il en résulte la formation d’une couche périphérique extrêmement mince dont la dureté Brinell peut atteindre et dépasser 800.

L’acier utilisé est surtout le 40CAD612 (acier à l’aluminium Cr.Al.Mo) mais également le 30CND8 et le 40CMD8, même si tous les aciers peuvent être nitrurés.

La dureté des aciers les plus durs après trempe et revenu ne dépasse par 900HV soit 67HRC. Grâce à une nitruration, la surface de l’acier peut atteindre des duretés allant jusque 1200HV. Ce qui les rend adaptés pour toutes les pièces subissant une très grande résistance à l’usure par frottement sans choc.

Carbonitruration

La carbonitruration est l’incorporation de carbone (cémentation) et d’azote (nitruration) dans le métal.

Chromage dur

Parmi les traitements de surface de l'acier, un autre procédé est très largement utilisé: le chromage dur. Le principe va être de plonger la pièce à traiter dans une solution d'acide chromique puis de réaliser une électrolyse pour que le chrome vienne se fixer sur l'acier. La couche de chrome pourra être fine ou relativement épaisse (de 20 microns à 1mm en général. Le chromage dur a plusieurs utilités, et en particulier deux : l'augmentation de la dureté (on pourra atteindre des duretés de l'ordre de 1000 à 1100 HV, soit 70 HRc) et l'amélioration du coefficient de frottement. C'est pour cette raison que le chromage dur est très souvent utilisé pour les pièces d'usure ou en contact, comme par exemple les tiges de vérin...

Autre caractéristique très importante, le chromage dur permet de protéger la pièce contre la corrosion. Attention cependant, une rectification sera souvent nécessaire pour contrôler finement le diamètre extérieur.

(le paragraphe sur le chromage dur a été rédigé par Mathieu Jurion de h7g6.fr) 

https://www.h7g6.fr/