Techniques de traitement thermique en fonderie ferreuse : Renforcer résistance et durabilité

Trempe, revenu, normalisation et recuit de l'acier

Le traitement thermique est une étape clé pour garantir les propriétés mécaniques des coulées en acier. Par le moulage, la coulée, le démoulage et le nettoyage, les pièces prennent leur forme finale — mais peuvent manquer de résistance ou d'élasticité pour leur usage. En chauffant et refroidissant le métal à différents taux, la fonderie modifie ses propriétés mécaniques.

Comment l'application de chaleur change-t-elle la résistance ou la flexibilité d'un métal ?

Cristallisation et propriétés des métaux

Lors du refroidissement, le métal en fusion se fige en structures cristallines. Au microscope, elles ressemblent aux cristaux de givre sur une vitre en hiver. Chaque structure croît depuis un point central jusqu'à rencontrer une autre. Ces structures forment les « grains » du métal.

Tout comme les conditions hivernales variables créent divers motifs de givre, les températures variables changent les cristaux constituant le métal. Le grain ainsi créé est généralement invisible mais révélé par attaque acide.

La forme et la relation des grains dans un alliage déterminent ses propriétés mécaniques. Des grains ronds glissent les uns sur les autres sous l'impact, s'écrasant plutôt que de rester forts ou de casser. Des grains plats s'empilent et se soutiennent comme des briques ; plus résistants que les grains ronds, mais encore mobiles. Des grains irréguliers, imbriqués, n'ont aucune souplesse. Le traitement thermique peut remodeler la cristallisation, changeant le grain et donc les propriétés du métal.

Écrouissage du métal

L'image du forgeron martelant une plaque de métal incandescent est immédiatement reconnaissable, bien que rare aujourd'hui. Pendant longtemps, les forgerons travaillaient le métal mécaniquement pour le renforcer. Aujourd'hui, l'acier est souvent laminé pour l'écrouir mécaniquement.

La structure des grains explique l'écrouissage. Les grains ronds sont déformés, leur nouvelle forme donnant de la résistance. Au laminage à froid, les grains ronds sont aplatis et étirés en bâtonnets. Ces baguettes se soutiennent, comme un fagot de bâtons. Le forgeron ou le métallurgiste peut marteler, tordre, chauffer, refroidir, étirer pour changer la forme des grains. Si les grains n'ont nulle part où aller sous l'impact, ils forment une matrice inélastique, augmentant la dureté.

Mais cette dureté a un coût : la résistance peut rendre le matériau fragile. Des grains de forme irrégulière ne glissent pas facilement ; ils sont coinçés. Tout impact suffisamment important — supérieur à la résistance des liaisons inter-granulaires — les brisera.

Traitement thermique du métal

La fonderie commence par choisir un alliage connu pour produire les caractéristiques désirées. Pourtant, elle a peu de contrôle sur la cristallisation lors du refroidissement de la coulée. Comme la cristallisation crée les propriétés mécaniques, l'alliage peut ne pas se comporter optimalement sans traitement supplémentaire. La fonderie peut y remédier en chauffant et refroidissant le métal de façon contrôlée et régulière.

Le traitement thermique est un moyen non destructif de modifier les propriétés. C'est parfois un processus secondaire sur métal écroui — mais c'est le premier choix en fonderie, car la pièce a déjà sa forme finale et ne peut être travaillée.

La cristallisation commence presque toujours des surfaces extérieures vers l'intérieur, et — surtout pour les grosses pièces — il y a un grand différentiel de température entre l'enveloppe et le cœur. Les cristaux croissent irrégulièrement, plus pointus et moins malléables près de la surface, plus ronds et tendres vers le centre. La forme de la pièce et les défauts ou inclusions affectent les taux de refroidissement, créant des zones aux propriétés mécaniques dissemblables. Ces différences causent des contraintes internes, sources de fatigue ou de rupture. Le traitement thermique permet de réorganiser les cristaux à l'intérieur du métal.

Cimentation (maintien à température)

La cimentation est le processus fondamental de toutes les méthodes de traitement thermique. Elle repose sur la température de « recristallisation » du métal, inférieure à son point de fusion. Pendant la recristallisation, le carbone est libéré pour diffuser dans le métal, passant d'une forme moléculaire à une autre selon la température, le pourcentage de carbone et le temps. Ce mouvement du carbone change les motifs de cristallisation, donc les propriétés. Le diagramme fer-carbone montre la formation d'austénite, ferrite, perlite et cémentite à différents temps et températures. La martensite, structure de grains des aciers trempés, se forme par choc thermique de l'austénite.

La cimentation consiste donc à porter une pièce au-dessus de la température de recristallisation. Le « temps à température » spécifié permet aux cristaux de fondre et se reformer. Le diagramme fer-carbone aide à savoir combien de temps maintenir la pièce pour permettre la diffusion spécifique du carbone.

Dans la plupart des parties du cycle fer-carbone, la cimentation rend le métal moins dur et cassant. Les grains deviennent plus réguliers, plus ronds, et peuvent se réarranger à l'impact en glissant les uns sur les autres. De plus, la pièce atteignant une température uniforme, les cristaux sont plus uniformes que dans une coulée fraîche.

Recuit

Le recuit commence par la cimentation, suivi d'un refroidissement très lent dans le four. L'opérateur éteint le four et laisse la température baisser doucement et contrôlée. Il y a cohérence thermique pendant le chauffage et le refroidissement, donc peu de contraintes internes : pas de « zones » aux propriétés de cristallisation différentes. Le métal recuit est généralement très malléable, avec ductilité, résistance à la traction et allongement accrus. Les grains sont souvent très gros du fait de la courbe de refroidissement très lente.

Normalisation

Normaliser un métal signifie le porter à température de recristallisation par cimentation, puis le sortir du four pour le laisser refroidir à l'air libre. Beaucoup de propriétés des métaux recuits se retrouvent, mais le refroidissement étant moins régulier, les grains sont légèrement moins réguliers. Toutefois, le différentiel de température est bien moindre que lors de la solidification, donc le produit est moins fragile.

Le taux de refroidissement de la normalisation crée des grains plus petits que le recuit, rendant le métal généralement plus résistant ou plus dur.

Trempe

Qu'en est-il si une dureté très élevée est désirée ? Pour outils et pièces de machine, ramollir le métal serait contre-productif.

Le traitement thermique permet de spécifier et d'obtenir une dureté constante. Pour durcir l'acier, la fonderie le cimente jusqu'à ce que l'austénite soit la molécule principale, puis le trempe dans de l'huile plus froide ou de l'air forcé. L'austénite choquée à froid crée une structure cristalline légèrement irrégulière appelée martensite. Ce matériau est plus dur grâce à une distorsion du carbone dans chaque molécule de martensite.

Comme la trempe se fait de l'extérieur vers l'intérieur, les gros objets subissent les pressions d'une cristallisation rapide, créant des contraintes internes. Ces forces peuvent causer des fissures si la trempe est trop brutale. C'est pourquoi la trempe à l'eau est peu courante pour les gros objets en acier : elle cause une chute de température très rapide, source de fissures. L'huile et l'air refroidissent moins vigoureusement.

Cependant, ce n'est pas seulement l'acier qui est trempé pour durcir. La trempe à l'eau est utilisée en fonderie. Les métaux non ferreux ne subissent pas les mêmes pressions internes car leurs phases et structures moléculaires diffèrent. Le manganèse est trempé à l'eau à des températures bien plus élevées que l'acier, sans fissurer. Mais l'écart de température est si grand que toute trempe manipule beaucoup d'énergie qui peut mal tourner ! Ci-dessous, une explosion causée par un noyau de sable retenu lors de la trempe d'une coulée en acier au manganèse. Len Cranmore de Reliance Foundry, aujourd'hui notre Directeur Commercial, est indemne, mais a dû éteindre de petits feux déclenchés par les éclats de sable surchauffés.

Revenu

Trouver le bon mélange dureté-ductilité peut aussi passer par le revenu. Souvent appliqué sur acier trempé pour le rendre moins fragile tout en conservant une partie de la dureté. En revenu, le métal est réchauffé à une température inférieure à celle du recuit, de la normalisation ou de la trempe.

La martensite n'est pas stable à chaud — elle s'obtient sous choc — donc le revenu déstabilise la martensite pour la convertir en cémentite et ferrite. Une gamme de températures et durées au four influence la quantité de martensite convertie et donc la tendreté. Par exemple, les ressorts sont revenus à plus haute température pour plus d'élasticité, comparés aux outils revenus plus bas pour garder la dureté.

Le revenu soulage aussi les contraintes internes d'un matériau trempé. Un métal ayant subi d'autres contraintes thermiques (soudage, forgeage) peut être revenu pour laisser les molécules se détendre.

Variations du traitement thermique

En fonderie, les pièces sont généralement traitées uniformément. Parfois, un traitement irrégulier est appliqué. Les épées en acier revenu étaient souvent traitées différemment : bords durs, cœur élastique. Les ressorts subissent parfois un traitement différentiel selon leur fonction.

Comme en fonderie, la compréhension de la chimie d'un alliage permet de spécifier scientifiquement temps, températures et tolérances. Mais avec l'expérience, le fondeur connaît son métal. Comme un chef expert connaît ses ingrédients sans recette, un fondeur expérimenté sait quand quelque chose ne va pas. Un métal qui met trop de temps à rougir, ou refroidit trop vite, raconte une histoire moléculaire à l'œil averti — sans équipement de laboratoire.