Traitement thermique dans les fonderies ferreuses

Acier de trempe, revenu, normalisation et recuit

Le traitement thermique est une étape importante pour garantir les propriétés mécaniques des pièces moulées en acier. Grâce au moulage, au coulage, au décochage et au nettoyage, les moulages prennent leur forme finale, mais peuvent ne pas être assez solides ou assez élastiques pour leur utilisation finale. En chauffant et en refroidissant le métal à des vitesses différentes, une fonderie peut modifier ses propriétés mécaniques.

Mais comment l'application de chaleur modifie-t-elle la résistance ou la flexibilité d'un métal ?

Cristallisation et propriétés des métaux

Lorsque le métal fondu refroidit, il gèle dans des structures cristallines. Au microscope, ces structures ressemblent aux cristaux de givre qui se forment sur le verre en hiver. Chaque structure se développe à partir d'un point central jusqu'à ce qu'elle rencontre une autre structure cristalline. Ces structures constituent les "grains" d'un métal.

Tout comme les conditions hivernales variables créent de nombreux types de modèles de gel, les températures variables modifient les cristaux qui fabriquent le métal. Le grain qu'ils créent est généralement invisible mais se révèle lorsque le métal est gravé à l'acide.

La forme et la relation des grains d'un alliage déterminent ses propriétés mécaniques. Les grains ronds peuvent glisser les uns sur les autres lorsque le métal est frappé, se bosselant plutôt que de rester solides ou de se casser. Les grains plats peuvent s'empiler et se soutenir comme des briques dans un mur; plus fort que les grains ronds, mais encore un peu mobile. Les grains déchiquetés et imbriqués peuvent ne pas donner du tout. Le traitement thermique d'un métal peut refaçonner sa cristallisation, ce qui modifie son grain, et donc les propriétés du métal.

Métal écrouissant

L'image d'un forgeron à sa forge, martelant une plaque de métal incandescente, est immédiatement reconnaissable même si ce n'est plus un spectacle courant. Cependant, pendant une grande partie de l'histoire humaine, les forgerons travaillaient le métal mécaniquement pour le rendre plus solide. Aujourd'hui, plutôt que d'être travaillé à la main par un forgeron, l'acier est souvent laminé pour le durcir mécaniquement.

L'image de la structure du grain explique le fonctionnement de l'écrouissage. Les grains ronds à l'intérieur du métal sont déformés et leur nouvelle forme donne de la résistance au métal. Dans le laminage à froid, par exemple, les grains ronds sont écrasés et étirés pour devenir plus semblables à des tiges. Ces tiges se soutiennent, comme des bâtons dans un faisceau. Un forgeron ou un métallurgiste peut marteler, tordre, chauffer, refroidir et étirer un objet pour changer la forme du grain. Si les grains n'ont pas d'endroit où aller lorsqu'ils sont frappés, ils forment une matrice immobile et inélastique qui augmente la dureté du métal.

Cependant, cette dureté peut avoir un coût :la résistance peut rendre le matériau cassant. Les grains de forme irrégulière ne glissent pas facilement les uns sur les autres :ils sont coincés les uns contre les autres. Tout impact suffisamment important, supérieur à la force des liens entre les grains, les brisera.

Traitement thermique du métal

La fonderie commence à créer les propriétés mécaniques souhaitées de l'acier en choisissant un alliage connu pour produire ces caractéristiques. Pourtant, il y a très peu de contrôle sur la cristallisation de ce métal au fur et à mesure que la coulée refroidit. Étant donné que la cristallisation crée les propriétés mécaniques du métal, l'alliage peut ne pas se comporter de manière optimale à moins qu'il ne soit traité davantage. La fonderie peut le faire en chauffant et en refroidissant le métal de manière contrôlée et régulière.

Le traitement thermique est un moyen non destructif de modifier les propriétés des matériaux. Il s'agit parfois d'un processus secondaire avec du métal écroui, mais c'est le premier choix de la fonderie, car le moulage a déjà la bonne forme et ne peut pas être travaillé.

La cristallisation commence presque toujours à partir des surfaces extérieures et se déplace, et - en particulier dans les grandes pièces moulées - il existe un grand différentiel de température entre la coque de la pièce moulée et le centre. Les cristaux se développent de manière irrégulière, généralement plus nets et moins malléables près de la surface. Ils sont souvent plus ronds et donc plus mous plus loin. La forme de coulée et les défauts ou inclusions dans le métal affecteront les vitesses de refroidissement, conduisant à des zones dans le métal qui ont des propriétés mécaniques différentes. Ces différences peuvent provoquer une déformation interne du métal, ce qui peut entraîner une fatigue ou une défaillance du métal. Le traitement thermique permet à la fonderie de remonter à l'intérieur d'un métal et de réarranger les cristaux qui le composent.

trempage

Le trempage est le processus qui constitue la base de toutes les méthodes de traitement thermique. Le traitement thermique repose sur la température de "recristallisation" d'un métal qui se situe en dessous de son point de fusion. Au cours de la recristallisation, le carbone est libéré pour diffuser à travers le métal, passant d'une forme moléculaire à une autre en fonction de la chaleur, du pourcentage de carbone et du temps. Ce mouvement du carbone modifie les schémas de cristallisation du métal et porte donc différentes propriétés matérielles. Le diagramme de phase fer-carbone montre la formation de grains d'austénite, de ferrite, de perlite et de cémentite à différents moments et températures dans la chaleur. La martensite, une autre structure de grain trouvée dans les aciers trempés, est formée par l'austénite de choc à froid.

Le trempage est donc le processus consistant à amener une coulée au-dessus du point de recristallisation. Le « temps à température » de trempage spécifié pour un traitement thermique permet aux cristaux du métal de fondre et de se reformer. L'examen du cycle de phase fer-carbone peut aider une fonderie à savoir combien de temps il faut maintenir une pièce coulée à température pour permettre une diffusion spécifique du carbone.

Dans la plupart (mais pas toutes) des parties du cycle de phase fer-carbone, le trempage d'un métal coulé ou travaillé le rendra moins dur et cassant. Au fur et à mesure que les grains du métal poussent plus régulièrement, ils sont plus ronds et peuvent se réorganiser lors de l'impact en glissant les uns sur les autres. De plus, étant donné que l'article atteint la même température partout, les cristaux sont généralement plus uniformes que ceux d'un moulage fraîchement coulé.

Recuit

Le recuit commence par un trempage, puis se poursuit en laissant très lentement refroidir l'acier dans le four. L'ouvrier fondeur éteint le four et permet une baisse douce et contrôlée de la température. Il y a une cohérence thermique dans tout l'objet à la fois pendant le chauffage et le refroidissement, ce qui signifie qu'il y a peu de contraintes internes :aucune "zone" de métal avec des propriétés de cristallisation différentes ne se produit. Le métal qui a été recuit est généralement très malléable, avec une ductilité, une résistance à la traction et un allongement accrus. Les tailles de grains des métaux recuits sont souvent très grandes en raison de la courbe de refroidissement très lente.

Normalisation

Normaliser un métal, c'est l'amener à des températures de recristallisation par trempage, puis le sortir du four et le laisser refroidir dans l'atmosphère. Bon nombre des propriétés des métaux recuits sont évidentes dans les métaux normalisés, mais comme il n'y a pas tout à fait la même régularité de refroidissement, les grains ont tendance à être un peu moins réguliers. Néanmoins, un différentiel de température beaucoup plus faible que celui observé lors de la congélation du métal signifie qu'un produit normalisé est moins cassant.

La vitesse de refroidissement trouvée lors de la normalisation crée des grains plus petits dans le métal que le recuit, ce qui signifie qu'en général, il sera plus résistant ou plus dur que le métal recuit.

trempe

Que se passe-t-il si un degré de dureté très élevé est souhaité ? Lors de la fabrication d'outils et de pièces de machines, le ramollissement du métal peut aller à l'encontre de l'objectif.

Le traitement thermique peut permettre à la dureté d'être spécifiée et constante. Pour créer de la dureté dans l'acier, la fonderie trempe l'acier jusqu'à ce que l'austénite soit la molécule principale, puis la trempe dans de l'huile plus froide ou de l'air forcé. Lorsque l'austénite subit un choc à froid, elle crée une structure cristalline légèrement irrégulière appelée martensite. Ce matériau est plus dur en raison d'une distorsion du carbone dans chaque molécule de martensite.

Étant donné que la trempe se produit de l'extérieur vers l'intérieur, les gros objets peuvent subir les pressions d'une cristallisation rapide conduisant à une pression interne dans le métal. Ces forces peuvent parfois provoquer des fissures si la trempe est trop extrême. Pour cette raison, la trempe à l'eau n'est pas très courante pour les gros objets en acier, car elle provoque une chute très rapide de la température qui peut provoquer la formation de fissures. L'huile et l'air refroidissent légèrement moins vigoureusement.

Cependant, ce ne sont pas seulement les aciers qui sont trempés pour le durcissement. La trempe à l'eau est utilisée dans une fonderie. Les métaux autres que l'acier peuvent ne pas subir les mêmes pressions internes car leurs phases et leurs structures moléculaires seront différentes. Le manganèse est trempé à l'eau à des températures beaucoup plus élevées que l'acier, sans se fissurer. Cependant, la différence de température est si grande que toute trempe consomme beaucoup d'énergie qui peut mal tourner ! Ci-dessous, une explosion causée par un noyau de sable retenu lors de la trempe d'un moulage d'acier au manganèse. Len Cranmore de Reliance Foundry, maintenant notre directeur des ventes, n'a pas été blessé dans cette explosion, mais a dû éteindre de petits incendies déclenchés par les éclats de sable surchauffés.

Tempérer

Trouver le bon mélange de dureté et de ductilité peut également être obtenu grâce à un processus appelé revenu. La trempe se fait souvent avec de l'acier trempé pour le rendre moins cassant tout en préservant une partie de la dureté. Lors de la trempe, un métal est à nouveau réchauffé, mais maintenant à une température plus basse que lors du recuit, de la normalisation ou de la trempe.

La martensite n'est pas une molécule stable à la chaleur - elle est obtenue sous choc - donc la trempe de l'acier signifie déstabiliser la martensite pour la laisser commencer à se convertir en cémentite et en ferrite. Une gamme de températures et de durées dans le four de revenu influencera la quantité de martensite convertie et donc la douceur du métal. Par exemple, les ressorts métalliques peuvent être trempés à des températures plus élevées pour une élasticité accrue par rapport aux outils trempés à des températures plus basses pour maintenir la dureté.

Le revenu est souvent utilisé pour soulager les contraintes internes dans un matériau trempé. Un métal qui a subi d'autres contraintes thermiques comme le soudage ou la forge peut être trempé pour permettre aux molécules à l'intérieur de se détendre un peu les unes dans les autres.

Variations de traitement thermique

Dans une fonderie, les pièces moulées sont généralement traitées thermiquement uniformément. Cependant, un article peut parfois être traité thermiquement de manière irrégulière. Les épées en acier trempé étaient généralement trempées de manière variable, de sorte que les lames avaient des bords durs tandis que les noyaux restaient élastiques. Les ressorts subissent parfois un traitement thermique différentiel, pour correspondre à leur fonction.

Comme pour la plupart des fonderies, la compréhension de la chimie d'un alliage signifie que les temps, les températures et les tolérances peuvent être scientifiquement spécifiés. Cependant, au fil du temps, un ouvrier de fonderie apprend à connaître le métal avec lequel il travaille. Tout comme un chef expert connaît suffisamment bien ses ingrédients pour ne pas avoir besoin d'une recette, un fondeur expert saura quand quelque chose ne va pas. Un métal qui met trop de temps à briller ou qui se refroidit trop vite raconte une histoire moléculaire à un œil expérimenté, sans l'aide d'un équipement de laboratoire.

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