Maîtriser le traitement thermique : trempe et revenu d'aciers à outils

OBJECTIFS

À la fin de cette unité, vous serez capable de :

• Tremper correctement une pièce en acier à outils et évaluer le résultat.
• Revenir correctement la pièce trempée et évaluer le résultat.
• Décrire les procédures de traitement thermique adaptées aux autres aciers à outils.

SÉCURITÉ

Procédures suggérées pour un traitement thermique sûr :

1. Porter vêtements ignifugés, gants, lunettes et visière pour se protéger des huiles chaudes (brûlures).
2. Avant d'allumer le four, vérifier : commutateurs d'air, ventilateurs d'extraction, vannes d'arrêt automatique, autres dispositifs de sécurité.
3. S'assurer de la quantité suffisante de fluide de trempe. Le fluide absorbe la chaleur ; s'il est insuffisant, le refroidissement ne sera pas optimal.
4. Ventilation suffisante dans les zones de trempe pour maintenir les brouillards d'huile aux niveaux souhaités.
5. Respecter les instructions du fabriceur pour l'allumage du four.
6. Pendant l'allumage d'un four à huile ou gaz, ne JAMAIS se placer directement devant.
7. Vérifier que l'huile de trempe n'est pas contaminée par l'eau. L'humidité au contact de l'huile peut provoquer des explosions.
8. Avant de sortir des pièces du pot de cémentation liquide, vérifier que les pinces ne sont pas mouillées et sont adaptées.
9. S'assurer qu'un fongicide ou inhibiteur bactérien approprié est mélangé au liquide de trempe.
10. Couvrir les bacs de trempe quand ils ne sont pas utilisés.
11. Utiliser un absorbant ininflammable pour nettoyer fuites et déversements d'huile immédiatement.
12. Si possible, maintenir outils, paniers, outillages et zones de travail exempts de contamination par l'huile.
13. Se laver soigneusement les mains avant les pauses et avant de passer à la tâche suivante.
14. En cas de problème cutané apparent ou suspecté, signaler à l'instructeur et consulter un médecin.
15. Ne pas inhaler les fumées du bain de sel de cémentation fondu : le monoxyde de carbone est un produit de la cémentation.
16. Assurer une bonne ventilation dans la zone de travail.
17. Surveiller la contamination par des éclats de métal cémenté.
18. Ne pas apporter vêtements ou équipements imbibés d'huile dans les zones de restauration.
19. Ne pas consommer aliments ou boissons où les huiles sont utilisées ou stockées.

PROCÉDURE

La première chose à connaître pour traiter thermiquement un acier est sa température de trempe. Beaucoup d'aciers, surtout les aciers à outils courants, ont une plage de température de trempe bien établie. L'acier O-1 a une température de trempe de 788-816 °C (1450-1500 °F).

Pour commencer :

1. Sécurité d'abord. Températures très élevées. S'habiller correctement, maintenir la zone autour du four propre (risque glissade/chute). Préchauffer les pinces avant de saisir la pièce chaude.
2. Préchauffer le four à 649 °C (1200 °F).
3. À 649 °C, placer la pièce au centre du four pour chauffe uniforme. Fermer et attendre.
4. Une fois la pièce dans le four, monter à 816 °C (1500 °F). À cette température, commencer immédiatement le chronométrage de la trempe (soak) : 15 min à 1 heure (le temps de trempe varie selon l'épaisseur de l'acier).

Tableau 1 : Temps de trempe approximatifs pour trempe, recuit et normalisation de l'acier

Épaisseur du métal (pouces)	Temps de chauffe à la température requise (h)	Temps de trempe (h)
jusqu'à 1/8	0,06 à 0,12	0,12 à 0,25
1/8 à 1/4	0,12 à 0,25	0,12 à 0,25
1/4 à 1/2	0,25 à 0,50	0,25 à 0,50
1/2 à 3/4	0,50 à 0,75	0,25 à 0,50
3/4 à 1	0,75 à 1,25	0,50 à 0,75
1 à 2	1,25 à 1,75	0,50 à 0,75
2 à 3	1,75 à 2,25	0,75 à 1,0
3 à 4	2,25 à 2,75	1 à 1,25
4 à 5	2,75 à 3,50	1 à 1,25
5 à 8	3,50 à 3,75	1 à 1,50

Le temps de trempe (soak) est la durée pendant laquelle l'acier est maintenu à la température désirée (ici 816 °C).

5. Trempe terminée : sortir la pièce très vite mais prudemment avec les pinces. Plonger dans le bac d'huile pour la trempe. Agiter la pièce autant que possible pendant la trempe.
6. Une fois la pièce revenue vers 52 °C (125 °F), commencer le revenu. Placer la pièce dans le four à 191 °C (375 °F). Laisser tremper 2 heures, puis sortir et laisser refroidir à température ambiante. La dureté devrait être ~60 HRC.

Austénitisation et refroidissement à l'air (Normalisation)

1. Généralement fait par le fabricant → état « tel que reçu ».
2. Processus de normalisation (historique thermique) pour acier 1045 :
   1. Austénitisation : Four à 850 °C (1562 °F) dans le domaine austénitique, 1 heure jusqu'à température d'équilibre et structure en solution solide.
   2. Refroidissement à l'air : Sortir du four, laisser refroidir à l'air ambiant.

Austénitisation et refroidissement au four (Recuit / Annealing)

1. Également appelé recuit. L'acier suit cet historique thermique :
   1. Austénitisation : Four à 850 °C (1562 °F), 1 heure pour équilibre et solution solide.
   2. Refroidissement au four : Refroidir lentement dans le four. Laisser la température descendre de 850 °C à 700 °C (1292 °F) sur 10 heures.
   3. Refroidissement à l'air : Sortir du four, laisser refroidir à l'air ambiant.

Austénitisation et trempe (Quench)

1. Austénitisation : Four à 850 °C (1562 °F), 1 heure pour équilibre et solution solide.
2. Trempe : Sortir vite du four, plonger dans grand volume d'eau à température ambiante, agiter vigoureusement. Pour acier 1045, l'eau à température ambiante est le milieu de trempe.

Trempe : Rapidement sortir du four, plonger dans grand réservoir d'eau à température ambiante, agiter vigoureusement.

Pour 1045, milieu de trempe = eau ambiante (autres aciers : huile, saumure, etc.).

4. Austénitisation, Trempe et Revenu

1. Austénitisation : Four à 850 °C (1562 °F), 1 heure pour équilibre.
2. Trempe : Sortir vite, plonger dans eau ambiante, agiter vigoureusement.
3. Revenu :
   1. Monter à la température de revenu et maintenir ~2 heures.
   2. Gamme de températures de revenu pour 1045 : 200-500 °C (392-932 °F).
   3. Températures différentes → propriétés mécaniques différentes.
   4. Températures basses → limite d'élasticité plus haute, mais ténacité et ductilité plus faibles.
   5. Températures hautes → résistance plus faible, mais ténacité et ductilité accrues.
4. Refroidissement à l'air : Sortir du four, laisser refroidir à l'air ambiant.

TEST DE L'UNITÉ

1. Lister 5 règles de sécurité pour le traitement thermique.
2. Quelle est la première chose à connaître pour traiter thermiquement un acier ?
3. Quel est le temps de trempe pour épaisseur 1 à 2 pouces ?
4. Expliquer le temps de trempe (soak time).
5. Après le temps de trempe, quelle est l'étape suivante ?
6. À quelle température placer la pièce pour le revenu ?
7. Expliquer l'austénitisation et trempe.
8. Qu'est-ce qu'un refroidissement à l'air (air-cool) ?
9. Expliquer la méthode Rockwell.
10. Expliquer le test de dureté Brinell.

ATTRIBUTION DU CHAPITRE

Ce chapitre est dérivé des sources suivantes :

• Traitement thermique tiré de Heat Treatment of Plain Carbon and Low Alloy Steels par le MIT, CC:BY-NC-SA 4.0.
• Équation dureté Brinell tiré de Brinell Hardness par CORE-Materials Resource Finder, CC:BY.