La Cémentation Expliquée : Définition, Types et Procédé de Durcissement de l'Acier

Qu'est-ce que la Cémentation ?

La cémentation est un processus de trempe de surface dans lequel le carbone diffuse dans la couche de surface d'une pièce en acier à une température suffisamment élevée pour changer la structure cristalline de l'acier. Ce changement permet à l'acier d'absorber du carbone. Le résultat est une couche résistante à l'usure qui fait de la cémentation un processus idéal dans la production de métaux forts et sûrs.

La cémentation est un traitement thermique dans lequel le fer ou l'acier absorbe du carbone pendant que le métal est chauffé en présence d'un matériau porteur de carbone, comme le charbon de bois ou le monoxyde de carbone. L'intention est de rendre le métal plus dur.

Selon la quantité de temps et la température, la zone affectée peut varier en teneur en carbone. Des temps de cémentation plus longs et des températures plus élevées augmentent généralement la profondeur de diffusion du carbone.

Lorsque le fer ou l'acier est refroidi rapidement par trempe, la teneur en carbone plus élevée sur la surface externe devient dure en raison de la transformation de l'austénite en martensite, tandis que le cœur reste doux et tenace comme une microstructure ferritique et/ou perlétique.

Ce processus de fabrication peut être caractérisé par les points clés suivants :

• Il est appliqué à des pièces à faible teneur en carbone ;
• Les pièces sont en contact avec un gaz, liquide ou solide à haute teneur en carbone ;
• Il produit une surface de pièce dure ; les cœurs de pièces conservent largement leur ténacité et ductilité, et
• Il produit des profondeurs de dureté de surface jusqu'à 6,4 mm (0,25 pouces).

Dans certains cas, il sert de remède à une décarburation indésirable survenue plus tôt dans un processus de fabrication.

Méthode de Cémentation

La cémentation de l'acier implique un traitement thermique de la surface métallique en utilisant une source de carbone. La cémentation peut être utilisée pour augmenter la dureté de surface de l'acier à faible teneur en carbone. La cémentation ancienne utilisait une application directe de charbon de bois emballé autour de l'échantillon à traiter, mais les techniques modernes utilisent des gaz porteurs de carbone ou des plasmas.

Le processus dépend principalement de la composition du gaz ambiant et de la température du four, qui doivent être soigneusement contrôlées, car la chaleur peut aussi impacter la microstructure du reste du matériau. Pour les applications où un grand contrôle sur la composition du gaz est souhaité, la cémentation peut avoir lieu sous de très basses pressions dans une chambre à vide.

La cémentation par plasma est de plus en plus utilisée pour améliorer les caractéristiques de surface de divers métaux, notamment l'acier inoxydable. Le processus est respectueux de l'environnement. Il fournit aussi un traitement uniforme de composants à géométrie complexe, le rendant très flexible en termes de traitement de composants.

Le processus de cémentation fonctionne via la diffusion d'atomes de carbone dans les couches de surface du métal. Comme les métaux sont composés d'atoms liés étroitement dans un réseau cristallin métallique, les atomes de carbone diffusent dans la structure cristalline du métal et restent soit en solution, soit réagissent avec les éléments du métal hôte pour former des carbures.

Si le carbone reste en solution solide, l'acier est ensuite traité thermiquement pour le durcir. Ces deux mécanismes renforcent la surface du métal, le premier en formant de la perlite ou de la martensite, et le second via la formation de carbures. Ces deux matériaux sont durs et résistent à l'abrasion.

La cémentation gazeuse est normalement réalisée à une température dans la gamme de 900 à 950 °C.

En soudage oxyacétylénique, une flamme cémentante est une flamme avec peu d'oxygène, qui produit une flamme suie, à température plus basse. Elle est souvent utilisée pour recuire le métal, le rendant plus malléable et flexible pendant le processus de soudage.

Types de Cémentation

Autrefois, selon la source de carbone, il y avait trois types de méthodes de cémentation : cémentation solide, cémentation liquide et cémentation gazeuse. Charbon de bois, sel fondu, et gaz contenant du carbone comme le gaz naturel et le propane sont utilisés en conséquence.

Il y a trois types de cémentation couramment utilisés :

• Cémentation gazeuse
• Cémentation liquide
• Cémentation solide

Les trois processus sont basés sur la transformation de l'austénite en martensite pendant la trempe. L'augmentation de la teneur en carbone à la surface doit être suffisamment élevée pour résulter en une couche martensitique avec une dureté suffisante, typiquement 700 HV, pour fournir une surface résistante à l'usure.

La teneur en carbone requise à la surface après diffusion est généralement de 0,8 à 1,0 % C. Ces processus peuvent être réalisés sur une variété d'aciers au carbone, aciers alliés, et fontes, dans lesquels la teneur en carbone dans la masse est au maximum de 0,4 % et généralement moins de 0,25 %. Un traitement thermique incorrect peut mener à l'oxydation ou la décarburation.

Bien que ce soit un processus relativement lent, la cémentation peut être utilisée comme un processus continu et convient pour le durcissement de surface à grand volume.

1. Cémentation Gazeuse

En cémentation gazeuse, on chauffe l'acier au carbone à la température d'austénitisation en présence d'une atmosphère riche en carbone. Il est courant d'utiliser un gaz porteur, comme le gaz endothermique (« Endo ») avec enrichissement en hydrocarbures (gaz naturel ou propane).

Le composant est maintenu dans un four qui contient une atmosphère de méthane ou propane avec un gaz porteur neutre, généralement un mélange de N2, CO, CO2, H2, et CH4. À la température de cémentation, le méthane (ou propane) se décompose sur la surface du composant en carbone atomique et hydrogène, le carbone diffusant dans la surface.

La température est typiquement de 925 °C et les temps de cémentation varient de 2 heures pour un boîtier avec une profondeur de 1 mm à un maximum de 36 heures pour un boîtier avec une profondeur de 4 mm. Le milieu de trempe est généralement l'huile, mais peut être l'eau, la saumure, la soude caustique, ou un polymère.

2. Cémentation sous Vide

Ce processus de cémentation implique un environnement à basse pression, sans oxygène. Ce processus utilise des hydrocarbures gazeux comme le méthane. Puisque l'environnement est exempt d'oxygène, la température de cémentation peut être augmentée sans s'inquiéter de l'oxydation. Plus la température est élevée, plus la solubilité et le taux de diffusion du carbone sont élevés, ce qui minimise le temps requis pour la profondeur de caisse.

3. Cémentation Liquide

La cémentation liquide est un processus utilisé pour le durcissement de surface de pièces en acier ou fer. Les pièces sont maintenues à une température au-dessus de Ac1 dans un sel fondu qui introduit du carbone et de l'azote, ou du carbone seul, dans le métal. La plupart des bains de cémentation liquide contiennent du cyanure, qui introduit à la fois du carbone et de l'azote dans la caisse.

Les liquides ou cyanures sont cémentés en plaçant le composant dans un bain de sel à une température de 845 à 955 °C. Le sel est généralement un mélange cyanure-chlorure-carbonate et est hautement toxique. Les sels de cyanure introduisent une petite quantité d'azote dans la surface, ce qui améliore encore sa dureté. Bien que ce soit le processus de cémentation le plus rapide, il ne convient que pour de petites tailles de lots.

4. Cémentation Solide (Cémentation en Boîte)

En cémentation solide ou en boîte, le monoxyde de carbone dérivé d'un composé solide se décompose à la surface du métal en carbone naissant et dioxyde de carbone. Les conteneurs de cémentation sont faits d'acier au carbone, d'acier au carbone revêtu d'aluminium, ou d'alliages résistants à la chaleur fer-nickel-chrome.

Les composants sont entourés d'un milieu de cémentation et placés dans une boîte scellée. Le milieu est généralement du coke ou du charbon de bois mélangé avec du carbonate de baryum. Le processus est vraiment un processus de cémentation gazeuse car le CO produit se dissocie en CO2 et carbone qui diffusent dans la surface des composants.

Les températures sont typiquement de 790 à 845 °C pour des durées de 2 à 36 heures. La cémentation en boîte est le processus de cémentation le moins sophistiqué et reste donc une méthode largement utilisée.

Carbonitruration

La carbonitruration est réalisée sur une section similaire d'acier, bien que la teneur en carbone en masse puisse être de 0,4 à 0,5 %. La méthode est particulièrement adaptée pour le durcissement de surface de composants qui requièrent un cœur durci, comme les engrenages et les arbres.

La carbonitruration est une modification de la cémentation gazeuse dans laquelle de l'ammoniac est ajouté au méthane ou propane et est la source d'azote.

FAQ

Qu'est-ce que la Cémentation ?

La cémentation est un cas de processus de durcissement dans lequel le carbone diffuse dans la couche de surface d'une pièce en acier à une température assez élevée pour changer la structure cristalline de l'acier. Ce changement permet à l'acier d'absorber du carbone.

Quel est le processus de cémentation ?

La cémentation est un processus thermochimique dans lequel le carbone est diffusé dans la surface d'aciers à faible teneur en carbone pour augmenter la teneur en carbone à des niveaux suffisants pour que la surface réponde au traitement thermique et produise une couche dure, résistante à l'usure. Il y a trois types de cémentation couramment utilisés : cémentation gazeuse.

Quels sont les trois types de cémentation ?

Historiquement, il y a trois types de méthodes de cémentation selon la source de carbone : cémentation solide, cémentation liquide et cémentation gazeuse. Charbon de bois, sel fondu, et gaz porteurs de carbone, comme le gaz naturel et le propane, sont utilisés respectivement.

Quels sont les types de Cémentation ?

Types de Cémentation

• Cémentation en Boîte
• Cémentation Gazeuse
• Cémentation sous Vide
• Cémentation Liquide

Quel est le but de la cémentation ?

Le but de ce processus est de rendre le métal plus dur et plus maniable. La dureté de l'acier à faible teneur en carbone peut être améliorée par l'ajout de carbone sous une certaine forme de traitement thermique. Quand elle est réalisée avec succès, elle peut améliorer la dureté de surface de l'acier.

Pourquoi la cémentation est-elle faite pour l'acier ?

La cémentation augmente la résistance et la résistance à l'usure en diffusant du carbone dans la surface de l'acier créant une caisse tout en conservant une dureté substantiellement moindre dans le cœur. Ce traitement est appliqué aux pièces en acier à faible teneur en carbone après usinage, ainsi qu'aux roulements en acier allié à haute teneur, engrenages, et autres composants.

Qu'est-ce que la cémentation et la nitruration ?

La nitruration et la cémentation sont les deux pratiques de traitement thermique les plus courantes pour le durcissement de surface de composants fonctionnels. La différence principale est que dans la nitruration, des atomes d'azote sont faits pour diffuser dans la surface des pièces traitées, alors que dans la cémentation, du carbone est utilisé.

Quelle est la différence entre trempe de surface et cémentation ?

La trempe de surface est le processus de durcissement juste de la surface de la pièce. Elle est aussi connue sous le nom de cémentation. Dans le processus de cémentation, le composant à faible teneur en carbone est placé dans un four qui contient une atmosphère de carbone soigneusement contrôlée.

Quelle est la température de cémentation ?

Les fours de cémentation sont soit à gaz, soit électriquement chauffés. La température de cémentation varie de 870 à 940 °C ; l'atmosphère gazeuse pour la cémentation est produite à partir d'hydrocarbures liquides ou gazeux comme le propane, le butane, ou le méthane.

Qu'est-ce que la cémentation liquide ?

La cémentation liquide est un processus généralement utilisé pour des pièces de petite et moyenne taille. Dans le bain de sel, le carbone à diffuser dans la pièce provient d'un sel fondu qui est un mélange de cyanure de sodium (NaCN) et de chlorure de baryum (BaCl2).

Quel acier peut être cémenté ?

La microstructure du cœur ne sera pas altérée pendant ce traitement à basse température. Bien que la cémentation soit utilisée principalement pour les aciers à faible teneur en carbone et les aciers faiblement alliés, la nitruration est utilisée pour les aciers à faible teneur en carbone, aciers alliés, aciers à outils, et aciers inoxydables. Les aciers nitrurés peuvent avoir une résistance à l'usure et une dureté supérieures.

Quelles sont les deux étapes de la cémentation ?

Bien que la cémentation atmosphérique consiste en plusieurs étapes de processus, elle peut être simplifiée pour inclure deux processus majeurs : génération de carbone dans le four et diffusion du carbone dans la pièce. Le premier fournit des atomes de carbone tandis que le second détermine le gradient de concentration de carbone.

Pourquoi du BaCO3 est-il ajouté dans le cémentateur solide ?

« Le processus de cémentation est souvent fait pour durcir la surface de l'engrenage et le came ou came (Malau, V., 1999) ». Pour accélérer la pénétration du carbone dans l'éprouvette pendant le processus de cémentation, il est nécessaire d'ajouter d'autres éléments comme BaCO3, NaCO3 et autres.

Lequel des gaz suivants est utilisé pour la cémentation gazeuse ?

Cémentation gazeuse, incluant un processus de carbonitruration ou nitruration gazeuse impliquant l'utilisation de gaz ammoniac (NH3), qui produit de l'azote naissant qui entre dans la caisse de l'acier et augmente la dureté.

Quels métaux peuvent être nitrurés ?

L'aluminium, le chrome, le molybdène, le titane, le tungstène et le vanadium se combinent facilement avec l'azote à haute température pour former des nitrures des métaux respectifs. Les alliages d'acier à faible teneur en carbone contenant ces métaux sont généralement de bons candidats pour la nitruration.

Quelle est la différence entre cémentation et carbonitruration ?

La différence clé entre cémentation et carbonitruration est que la cémentation est le processus de durcissement d'une surface d'acier en utilisant du carbone, alors que la carbonitruration est le processus de durcissement d'une surface d'acier en utilisant du carbone et de l'azote.

Un traitement thermique est-il requis après la cémentation ?

Le composant peut soit être trempé depuis la température de cémentation, soit être réchauffé à une température d'austénitisation appropriée et trempé. La trempe directe est moins chronophage et moins chère mais n'est pas possible dans la pratique de la cémentation en boîte. Ainsi, les pièces cémentées en boîte sont invariablement réchauffées et trempées.

La cémentation change-t-elle la taille ?

Il est virtuellement impossible qu'une pièce subisse une cémentation sans avoir quelques changements dimensionnels. La quantité de ces changements varie selon le type de matériau utilisé, le processus de cémentation que le matériau subit, et la taille et forme originale de la pièce.

Qu'est-ce que la cémentation en boîte ?

La méthode la plus ancienne de trempe de surface, dans laquelle les composants étaient emballés dans une boîte appropriée, avec des matériaux porteurs de carbone comme le charbon de bois, sabots, peau, graisse animale et corne, et chauffés à la température de cémentation.

Quel type de diffusion est la cémentation ?

Dans le processus de cémentation, la diffusion du carbone détermine le gradient de concentration de carbone et le profil de dureté dans la caisse de la pièce. Bien que la cémentation soit un processus compliqué, elle peut être décomposée en deux étapes principales : génération de carbone dans le four et diffusion du carbone dans la pièce.

Le traitement thermique rétrécit-il le métal ?

Un travail expérimental a été fait sur de nombreux matériaux pour montrer les effets du traitement thermique sur le changement de taille. Les effets sont différents pour chaque grade de matériau. Par exemple, un cube de 8 cm d'acier à outils D-2 pendant le durcissement a grandi de 0,08 % dans une dimension, tandis qu'il a rétréci dans les deux autres dimensions.

Pourquoi la trempe de surface arrive-t-elle ?

La trempe de surface est une méthode de traitement de matériau utilisée pour augmenter la dureté de la surface externe d'un métal. Puisque les processus de durcissement réduisent la formabilité et l'usinabilité, la trempe de surface est typiquement faite une fois que la plupart des autres processus de fabrication ont été complétés.