Traitement thermique expliqué : Types, méthodes et avantages pour métaux et alliages

Dans cet article, nous allons apprendre ce qu'est le procédé de traitement thermique et aussi les différents types de procédés de traitement thermique en détail.

Qu'est-ce que le procédé de traitement thermique ?

Le traitement thermique désigne une combinaison de chauffage et de refroidissement d'un métal ou d'un alliage à l'état solide dans le but d'obtenir des propriétés désirées. Les changements de propriétés résultent de modifications microstructurales dans le matériau produites par les opérations de traitement thermique.

Le traitement thermique est le processus de chauffage et de refroidissement des métaux, en utilisant des méthodes prédéterminées spécifiques pour obtenir les propriétés désirées. Les métaux ferreux aussi bien que non ferreux subissent un traitement thermique avant d'être mis en service. Au fil du temps, de nombreuses méthodes différentes ont été développées. Même aujourd'hui, les métallurgistes travaillent constamment à améliorer les résultats et l'efficacité économique de ces processus.

Pour cela, ils développent de nouveaux programmes ou cycles pour produire une variété de nuances. Chaque programme fait référence à un taux différent de chauffage, de maintien et de refroidissement du métal. Ces méthodes, lorsqu'elles sont suivies méticuleusement, peuvent produire des métaux de différents standards avec des propriétés physiques et chimiques remarquablement spécifiques.

Bases du traitement thermique

Bien que le fer et l'acier constituent la grande majorité des matériaux traités thermiquement, les alliages d'aluminium, de cuivre, de magnésium, de nickel et de titane peuvent également être traités thermiquement.

Les procédés de traitement thermique nécessitent trois étapes de base. Ou nous pouvons dire que les étapes du traitement thermique sont :

1. Chauffage à une température spécifiée
2. Maintien à cette température pendant la durée appropriée
3. Refroidissement selon des méthodes prescrites

Les températures peuvent aller jusqu'à 1315°C et le temps à température peut varier de quelques secondes à 60 heures ou plus.

Dans le four, certains matériaux sont refroidis lentement, tandis que d'autres doivent être trempés. Un traitement à -84°C ou moins est requis pour certains procédés cryogéniques. L'eau, la saumure, les huiles, les solutions polymères, les sels fondus, les métaux fondus et les gaz sont quelques exemples de milieux de trempe. Chacun a son propre ensemble de caractéristiques qui le rendent idéal pour des tâches spécifiques. 90 pour cent des pièces, d'autre part, sont trempées dans l'eau, l'huile, le gaz ou les polymères.

A. Étape de chauffage

Pendant l'étape de chauffage, l'objectif principal est de s'assurer que le métal chauffe uniformément. Un chauffage lent assure un chauffage uniforme. Si vous chauffez le métal de manière inégale, une section peut se dilater plus rapidement qu'une autre, ce qui entraîne une section de métal déformée ou fissurée. Vous sélectionnez le taux de chauffage en fonction des facteurs suivants :

1. La conductivité thermique du métal : Les métaux à haute conductivité thermique chauffent plus rapidement que ceux à faible conductivité.

2. L'état du métal : Les outils et pièces qui ont été précédemment durcis ou sollicités doivent être chauffés à un rythme plus lent que ceux qui ne l'ont pas été.

3. La taille et la section transversale du métal : Pour permettre à la température intérieure d'être proche de la température de surface, les pièces plus grandes ou les pièces à sections transversales inégales doivent être chauffées plus lentement que les petites pièces. Sinon, vous risquez des fissures ou une déformation excessive.

B. L'étape de trempage (maintien)

Le but de l'étape de trempage est de maintenir le métal à la température appropriée jusqu'à ce que la structure interne désirée prenne forme. La « période de trempage » fait référence à la durée pendant laquelle le métal est maintenu à la température appropriée. Vous aurez besoin de l'analyse chimique et de la masse du métal pour déterminer la durée correcte. La période de trempage pour les sections transversales inégales peut être déterminée en utilisant la plus grande section.

En général, vous ne devez pas amener la température du métal de la température ambiante à la température de trempage en une seule étape. Au contraire, chauffez lentement le métal juste en dessous de la température à laquelle la structure va changer, puis maintenez-le là jusqu'à ce que la température soit constante dans tout le métal. Après cette étape de « préchauffage », vous pouvez rapidement chauffer à la température finale dont vous aurez besoin. Pour éviter la déformation, les pièces aux designs plus complexes peuvent nécessiter plusieurs couches de préchauffage.

C. Étape de refroidissement

Pendant l'étape de refroidissement, vous voudrez ramener le métal à la température ambiante, mais il existe différentes façons de le faire selon le type de métal. Cela peut nécessiter un milieu de refroidissement, tel qu'un gaz, un liquide, un solide, ou une combinaison de ceux-ci. Le taux de refroidissement est déterminé par le métal et le milieu utilisé pour le refroidissement. En conséquence, les options de refroidissement que vous choisissez ont un impact significatif sur les propriétés désirées du métal.

La trempe est le refroidissement rapide du métal dans l'air, l'huile, l'eau, la saumure ou un autre milieu. La plupart des métaux qui sont durcis sont refroidis rapidement par trempe, donc la trempe est généralement associée au durcissement ; cependant, la trempe ou un autre refroidissement rapide n'entraîne pas toujours un durcissement. Le cuivre, par exemple, est recuit par trempe à l'eau, et d'autres métaux sont durcis par refroidissement lent.

Objectif du traitement thermique

Cependant, ceux-ci servent un ou plusieurs des objectifs suivants :

1. Améliorer l'usinabilité
2. Éliminer les contraintes internes.
3. Améliorer les propriétés mécaniques telles que la ductilité, la résistance, la dureté, la ténacité, etc.
4. Changer la taille des grains.
5. Augmenter la résistance à la chaleur et à la corrosion.
6. Modifier les propriétés électriques et magnétiques.
7. Changer la composition chimique.
8. Éliminer les gaz

Avantages du traitement thermique

Après traitement thermique, les matériaux sont :

• Plus durables.
• L'acier devient plus tenace, plus résistant.
• Plus faciles à souder.
• Plus flexibles.
• Augmentent leur résistance à l'usure.
• Augmentent la durée de vie globale de la pièce.

Le traitement thermique est effectué pour une variété de raisons. Certaines procédures ramollissent le métal, tandis que d'autres le durcissent. Elles peuvent également avoir un impact sur la conductivité électrique et thermique de ces matériaux.

Certaines méthodes de traitement thermique soulagent les contraintes causées par les précédents processus de travail à froid. D'autres ajoutent des propriétés chimiques désirables aux métaux. Le choix de la meilleure méthode est finalement déterminé par le type de métal et les propriétés requises.

Une pièce métallique peut être soumise à plusieurs procédures de traitement thermique dans certains cas. Certains superalliages utilisés dans l'industrie aéronautique, par exemple, peuvent passer par jusqu'à six étapes de traitement thermique différentes pour être optimisés pour l'application.

Types de procédés de traitement thermique

Les objectifs susmentionnés du traitement thermique peuvent être servis par un ou plusieurs des procédés de traitement thermique suivants :

1. Recuit

2. Normalisation

3. Durcissement

4. Revenissement

5. Cémentation :

a.) Cémentation (carburisation)

b.) Cyanuration

c.) Nituration

6. Durcissement de surface

a.) Durcissement par induction

b.) Durcissement par flamme

7. Revêtement par diffusion

1. Recuit

Le recuit est l'une des opérations les plus importantes et les plus utilisées dans le traitement thermique de l'acier.

Le recuit est un traitement thermique en métallurgie et en science des matériaux qui modifie les propriétés physiques et parfois chimiques d'un matériau pour augmenter sa ductilité et réduire sa dureté, le rendant plus ouvrable. Il implique de chauffer un matériau au-dessus de sa température de recristallisation, de maintenir cette température pendant une durée appropriée, puis de refroidir.

Le but du recuit est d'obtenir un ou plusieurs des effets suivants :

1. Ramollir l'acier.
2. Améliorer l'usinabilité.
3. Augmenter ou restaurer la ductilité et la ténacité.
4. Éliminer les contraintes internes.
5. Réduire ou éliminer l'inhomogénéité structurale.
6. Affiner la taille des grains
7. Préparer l'acier pour un traitement thermique ultérieur.

2. Normalisation

La normalisation est un procédé de traitement thermique utilisé pour rendre un métal plus ductile et plus tenace après qu'il a été durci thermiquement ou mécaniquement. La normalisation est le processus de chauffage d'un matériau à une température élevée, puis de le laisser refroidir jusqu'à la température ambiante en l'exposant à l'air ambiant après qu'il a été chauffé. Ce chauffage et ce refroidissement lent modifient la microstructure du métal, abaissant sa dureté et augmentant sa ductilité.

Lorsque l'acier est travaillé à froid, sa structure est déformée, et le métal peut être cassant et peu fiable. La structure interne d'une pièce forgée à chaud peut également être déformée du fait d'avoir été travaillée à une température très basse. On peut également voir qu'une température de finition variable entraînera une structure variable pour des forgages de même teneur en carbone. De même, si une coulée est coulée à une température quelque peu indéfinie et refroidit à des vitesses différentes dans différentes parties, elle peut être peu fiable. La normalisation est donc utilisée particulièrement pour les éléments suivants

Le but de la Normalisation est d'obtenir un ou plusieurs des effets suivants :

1. Éliminer la structure à gros grains.
2. Éliminer les contraintes internes qui peuvent avoir été causées par le travail
3. Améliorer les propriétés mécaniques de l'acier

En plus de tous ces objectifs, elle peut être utilisée pour augmenter la résistance des aciers à carbone moyen dans une certaine mesure (par rapport aux aciers recuits), pour améliorer l'usinabilité des aciers à bas carbone, pour améliorer la structure des soudures, etc.

3. Durcissement

L'opération de durcissement est appliquée à tous les outils et à certaines pièces de machines importantes destinées à un service particulièrement lourd ainsi qu'à toutes les pièces de machines en acier allié.

Les objectifs du durcissement avec revenu ultérieur sont :

1. Développer une dureté élevée pour résister à l'usure et permettre de couper d'autres métaux.

2. Améliorer la résistance, l'élasticité, la ductilité et la ténacité.

Le processus consiste en :

1. Chauffer l'acier à une température au-dessus du point critique.

2. Maintenir à cette température pendant une période considérable.

3. Trempe (refroidissement rapide) dans l'eau, l'huile ou un bain de sel fondu.

4. Revenissement

Le revenissement, en métallurgie, est le processus d'amélioration des propriétés d'un métal, particulièrement l'acier, en le chauffant à une température élevée, mais en dessous du point de fusion, puis en le refroidissant, généralement à l'air. Le processus renforce en réduisant la fragilité et les contraintes internes.

Lorsqu'un morceau d'acier est sorti du milieu de trempe, comme déjà indiqué, il est dur, cassant et aura de graves contraintes internes inégalement distribuées ainsi que d'autres caractéristiques défavorables. En général, le revenu restaure la ductilité et réduit la dureté et entraîne une certaine diminution de la dureté. Les objets principaux du revenu sont donc les suivants :

1. Stabiliser la structure du métal.
2. Réduire les contraintes internes produites lors du chauffage précédent.
3. Réduire une partie de la dureté produite lors du durcissement et augmenter la ductilité du métal.
4. Donner au métal une condition structurale combinée avec ténacité et résistance aux chocs.

Le traitement de revenu nécessite :

1. Réchauffer l'acier après durcissement à des températures inférieures au point Ac1 (ligne psk dans la fig 6.6
2. Maintenir pendant un temps considérable.
3. Refroidissement lent. Il est souhaitable que la température de l'acier soit maintenue pendant pas moins de 4 à 5 minutes pour chaque millimètre de la section.

5. Cémentation (Traitement de surface)

A. Carburisation

La plus ancienne méthode connue pour produire une surface dure sur l'acier est la cémentation ou carburisation. L'acier utilisé à cet effet est généralement un acier à bas carbone d'environ 0,15 % de carbone, qui ne répond pas appreciablement au traitement thermique. Au cours du processus, la couche externe est convertie en un acier à haut carbone avec une teneur en carbone variant de 0,9 à 1,2 % de carbone. S'il reçoit un traitement thermique approprié, il aura une surface extrêmement dure à l'extérieur et un cœur ductile et mou.

B. Cyanuration

La cyanuration est un processus de production d'une surface dure sur des aciers à bas ou moyen carbone en immergeant l'acier dans un bain de sel fondu contenant du cyanure maintenu à 800°C à 900°C, puis en trempant l'acier dans l'eau ou l'huile. La dureté produite par ce traitement est due à la présence de composés d'azote ainsi que de carbone dans la couche de surface.

C. Nituration

La nituration est un processus de production d'une couche de surface dure sur les aciers alliés uniquement. La nituration consiste essentiellement à chauffer l'acier dans une atmosphère de gaz ammoniac à une température de 500°C à 650°C sans traitement thermique supplémentaire. L'ammoniac est dissocié et l'azote naissant se combine avec les éléments de l'acier pour former des nitrures. Ces nitrures donnent une dureté extrême à la surface. Une couche de surface dure, généralement de 0,2 à 0,4 mm de profondeur, est produite en 50 heures.

La nituration est la dernière opération après le façonnage et le processus de traitement thermique. Ainsi, après forgeage, la séquence des opérations est : (a) durcissement à l'huile à 850°C à 900°C, (b) revenu à 600°C à 650°C, (c) usinage brut, (d) stabilisation (pour éliminer les contraintes internes) à 525°C à 550°C, (e) usinage final et finalement, (f) nituration.

La nituration est utilisée sur de nombreuses pièces d'usure automobiles, aéronautiques et de moteurs diesel, ainsi que sur de nombreuses pièces diverses telles que les arbres de pompe, les jauges, les matrices de tréfilage, les engrenages, les embrayages et les mandrins. Son utilisation est limitée par le coût nécessaire pour le traitement et la couche relativement mince obtenue.

6. Durcissement de surface

A. Durcissement par induction

Le chauffage par induction s'est avéré satisfaisant pour de nombreuses opérations de durcissement de surface requises sur les zones de roulement des vilebrequins, des arbres à cames, des arbres d'essieu et des surfaces d'usure similaires. Il diffère de la pratique ordinaire de cémentation en ce que l'analyse de l'acier de surface n'est pas modifiée, le durcissement étant accompli par un chauffage et une trempe extrêmement rapides de la surface d'usure qui n'ont aucun effet sur le cœur intérieur. La dureté obtenue dans le durcissement par induction est la même que celle obtenue dans le traitement conventionnel et dépend de la teneur en carbone.

B. Durcissement par flamme

Le processus de durcissement de l'acier en le chauffant avec la flamme d'un chalumeau oxyacétylénique est connu sous le nom de durcissement par flamme qui, comme le processus de durcissement par induction, est basé sur un chauffage et une trempe rapides de la surface par l'eau. La flamme est dirigée vers la partie désirée sans chauffer le reste de la pièce efficacement pour l'affecter. Les avantages en faveur de son application sont les suivants :

1. Parce qu'il chauffe rapidement, le chauffage par flamme est pratique lorsque la dureté n'est requise que pour une profondeur limitée, le reste conservant sa ténacité et sa ductilité d'origine.
2. Le chauffage par flamme rend possible et pratique le durcissement d'une partie ou de la totalité d'une pièce qui est trop grande ou trop encombrante pour être placée dans un four.
3. Le temps requis pour le chauffage est moindre avec le chauffage par flamme qu'avec un four

7. Revêtement par diffusion

Le revêtement par diffusion, ou cémentation métallique, est le processus d'imprégnation de la surface de l'acier avec de l'aluminium, du chrome, du silicium, du bore, du béryllium et d'autres éléments.

Le revêtement par diffusion est accompli en chauffant et en maintenant des pièces en acier en contact direct avec l'un des éléments ci-dessus qui peut être à l'état solide, liquide ou gazeux. Ce processus confère un certain nombre de propriétés précieuses à l'acier, parmi lesquelles une résistance élevée à la chaleur, à la corrosion et à l'usure. Dans de nombreux cas, l'acier soumis à un revêtement par diffusion peut être utilisé comme substitut à un acier hautement allié.

Diagramme de phases

Chaque alliage métallique a son propre diagramme de phases. Comme indiqué précédemment, le traitement thermique est effectué conformément à ces diagrammes. Ils représentent les changements structuraux qui se produisent à différentes températures et compositions chimiques.

Utilisons le diagramme de phases fer-carbone comme exemple car c'est le plus connu et le plus enseigné dans les universités.

Le diagramme de phases fer-carbone est un outil utile pour apprendre le comportement du traitement thermique de divers aciers au carbone. L'axe des x représente la teneur en carbone de l'alliage, tandis que l'axe des y représente la température.

Notez que la limite à laquelle l'acier devient de la fonte est de 2,14 % de carbone.

Le diagramme représente diverses régions où le métal peut se trouver dans divers microétats tels que l'austénite, la cémentite et la perlite. Ces zones sont délimitées par les frontières A1, A2, A3 et Acm. Lorsque la température ou la valeur de la teneur en carbone traverse ces interfaces, des changements de phase se produisent.

• A1 : La limite supérieure de la phase cémentite/ferrite.
• A2 : La limite où le fer perd son magnétisme. La température à laquelle un métal perd son magnétisme est aussi appelée température de Curie.
• A3 : L'interface qui sépare la phase Austénite + Ferrite de la phase γ (Gamma) austénite.
• Acm : L'interface qui sépare l'Austénite γ du champ Austénite + Cémentite.

Le diagramme de phases est un outil important pour déterminer si le traitement thermique sera bénéfique. Chaque structure contribue à différentes qualités du produit final, et le traitement thermique est choisi en conséquence.

Étapes du processus de traitement thermique

En termes simples, le traitement thermique est le processus de chauffage du métal, de le maintenir à cette température, puis de le refroidir. Au cours du processus, la pièce métallique subira des changements dans ses propriétés mécaniques. C'est parce que la haute température altère la microstructure du métal. Et la microstructure joue un rôle important dans les propriétés mécaniques d'un matériau.

Le résultat final dépend de nombreux facteurs différents. Ceux-ci incluent le temps de chauffage, le temps de maintien de la pièce métallique à une certaine température, le taux de refroidissement, les conditions environnantes, etc. Les paramètres dépendent de la méthode de traitement thermique, du type de métal et de la taille de la pièce.

Au cours de ce processus, les propriétés du métal changeront. Parmi ces propriétés figurent la résistance électrique, le magnétisme, la dureté, la ténacité, la ductilité, la fragilité et la résistance à la corrosion.

Chauffage

• Pièces métalliques mises dans le four
• Pièces de moteur à réaction entrant dans un four
• Comme nous l'avons déjà discuté, la microstructure des alliages changera pendant le traitement thermique. Le chauffage est effectué conformément à un profil thermique prescrit
• Un alliage peut exister dans l'un de trois états différents lorsqu'il est chauffé. Il peut s'agir d'un mélange mécanique, d'une solution solide, ou d'une combinaison des deux.
• Un mélange mécanique est analogue à un mélange de béton où le ciment lie le sable et le gravier ensemble. Le sable et le gravier sont encore visibles comme des particules séparées. Avec les alliages métalliques, le mélange mécanique est maintenu ensemble par le métal de base.
• D'autre part, dans une solution solide, tous les composants sont mélangés de manière homogène. Cela signifie qu'ils ne peuvent pas être identifiés individuellement même sous un microscope.
• Chaque état apporte des qualités différentes. Il est possible de changer l'état par chauffage selon le diagramme de phases. Le refroidissement, cependant, détermine le résultat final. Il est possible que l'alliage se termine dans l'un des trois états, selon uniquement la méthode.

Maintien (Trempage)

• Pendant le maintien, ou étape de trempage, le métal est maintenu à la température atteinte. La durée dépend de l'exigence.
• Par exemple, la cémentation ne nécessite que des changements structurels à la surface du métal pour augmenter la dureté de surface. En même temps, d'autres méthodes nécessitent des propriétés uniformes. Dans ce cas, la période de maintien est plus longue.
• Le temps de trempage dépend également du type de matériau et de la taille de la pièce. Les pièces plus grandes ont besoin de plus de temps lorsque des propriétés uniformes sont l'objectif. Il faut simplement plus de temps pour que le cœur d'une grande pièce atteigne la température requise.

Refroidissement

• Après que l'étape de trempage est terminée, le métal doit être refroidi d'une manière prescrite. À cette étape aussi, des changements structuraux se produisent. Une solution solide au refroidissement peut rester la même, devenir un mélange mécanique complètement ou partiellement, selon divers facteurs.
• Différents milieux tels que la saumure, l'eau, l'huile ou l'air forcé contrôlent le taux de refroidissement. La séquence des milieux de refroidissement nommés ci-dessus est dans l'ordre décroissant du taux de refroidissement efficace. La saumure absorbe la chaleur le plus rapidement, tandis que l'air est le plus lent.
• Il est également possible d'utiliser des fours dans le processus de refroidissement. L'environnement contrôlé permet une grande précision lorsque le refroidissement lent est nécessaire.

Quels métaux conviennent au traitement thermique ?

Bien que les métaux ferreux représentent la majorité des matériaux traités thermiquement, le cuivre, le magnésium, l'aluminium, le nickel, le laiton et les alliages de titane peuvent également être traités thermiquement.

Environ 80 % des métaux traités thermiquement sont différentes nuances d'acier. La fonte, l'acier inoxydable et diverses nuances d'acier à outils sont tous des métaux ferreux qui peuvent être traités thermiquement.

Les métaux ferreux sont couramment soumis à des procédés tels que le durcissement, le recuit, la normalisation, la relaxation des contraintes, la cémentation, la nituration et le revenu.

Les méthodes de traitement thermique telles que le recuit, le vieillissement et la trempe sont utilisées sur le cuivre et les alliages de cuivre.

L'aluminium convient au recuit, au traitement thermique en solution, au vieillissement naturel et artificiel, et à d'autres méthodes de traitement thermique. Le traitement thermique de l'aluminium est un processus précis. La portée du processus doit être établie, et il doit être soigneusement contrôlé à chaque étape pour s'assurer que les caractéristiques désirées sont atteintes.

Évidemment, tous les matériaux ne conviennent pas aux différents types de traitement thermique. De même, un seul matériau ne peut pas bénéficier de toutes les méthodes. Par conséquent, chaque matériau doit être étudié séparément pour obtenir le résultat souhaité. Le point de départ est d'utiliser les diagrammes de phases et les informations disponibles sur les effets des méthodes susmentionnées.

Traitement thermique des aciers

Le traitement thermique de l'acier est le chauffage et le refroidissement des métaux pour changer leurs propriétés physiques et mécaniques sans leur faire changer de forme. Le traitement thermique est une méthode pour renforcer les matériaux, mais il peut également être utilisé pour changer les propriétés mécaniques telles que la formabilité, l'usinage, etc.

L'application la plus courante est métallurgique, mais le traitement thermique des métaux peut également être utilisé dans la production de verre, d'aluminium, d'acier et de divers autres matériaux.

Nous avons essayé de couvrir tous les aspects du traitement thermique, depuis ce qu'est le processus de traitement thermique, puis les types de processus de traitement thermique, y compris les méthodes telles que le recuit, la cémentation, le revenu, la normalisation et bien d'autres. Nous avons également discuté des avantages et inconvénients du processus de traitement thermique.

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