Traitements thermiques : améliorer la résistance et les performances des métaux

Le traitement thermique est un processus combiné de chauffage et refroidissement du métal pour modifier ses propriétés physiques et mécaniques. Il homogénéise les alliages moulés pour améliorer leur aptitude au travail à très haute température, modifie la microstructure pour obtenir les propriétés mécaniques désirées. La sécurité est prioritaire car d'importantes quantités de chaleur sont libérées. Le processus se déroule dans fours et fours où la température varie selon le besoin, avec des gaz pour contrôler l'atmosphère. Le contact avec l'atmosphère peut provoquer réactions chimiques. Les gaz et l'humidité atmosphériques peuvent affecter le traitement, d'où la nécessité de maintenir l'atmosphère de l'espace de traitement pour réduire l'oxydation des composants traités.

Le traitement thermique est associé à l'augmentation de la résistance, mais pas seulement. Il modifie aussi les aspects de fabrication : améliore l'usinabilité, l'aptitude au formage, et restaure la ductilité au refroidissement.

Objectifs du traitement thermique :

• Affiner la taille du grain
• Augmenter l'usinabilité du matériau
• Éliminer les contraintes résiduelles internes
• Éliminer les gaz fragilisant l'acier
• Modifier la composition de surface par diffusion
• Obtenir les propriétés mécaniques, physiques ou chimiques désirées
• Ramollir l'acier durci

Paramètres affectant la composition et les propriétés :

1. Atmosphère
2. Revêtement de surface
3. Diffusion de surface
4. Refroidissement
5. Chauffage
6. Travail fourni
7. Temps

Classification des traitements thermiques :

Traitements thermiques courants :

1. Homogénéisation
2. Recuit (Annealing)
3. Normalisation (Normalizing)

Traitements modifiant les propriétés de surface (chimie) :

1. Cémentation (Carburising)
2. Nitruration (Nitriding)
3. Carbonitruration (Carbonitriding)
4. Nitrocarburation (Ferritic Nitrocarburising)

Traitements modifiant la structure de phase :

1. Durcissement (Hardening)
2. Revenu (Tempering)
3. Durcissement par induction (Induction hardening)

Traitement spécial :

1. Frittage (Sintering)

Traitements thermiques courants :

1. Homogénéisation

Traitement général avant le traitement principal pour uniformiser la température dans le matériau. Réduit aussi l'effet de coring causé par une composition chimique non uniforme.

2. Recuit (Annealing)

Chauffage à très haute température puis refroidissement lent. Augmente la ductilité et réduit la dureté. Le changement de dureté/ductilité réduit les dislocations dans la structure cristalline. Chauffage à température prédéfinie, maintien, puis refroidissement lent à température ambiante. Pour l'acier : chauffage juste au-dessus de la température critique (727 °C) et refroidissement lent.

Étapes du recuit :

1. Stade de récupération
2. Stade de recristallisation
3. Stade de croissance des grains

3. Normalisation :

Chauffage au-dessus de 910 °C pour austénitisation complète. Refroidissement à l'air pour obtenir de la perlite fine, avec bonne dureté et ductilité. Utilisé pour matériaux ferreux pour améliorer les propriétés mécaniques.

Chimie de surface :

1. Cémentation (Carburising)

Traitement de surface pour augmenter dureté et résistance à l'usure. Ajout de carbone en surface, surtout sur aciers bas carbone, à température prédéterminée. Aussi appelé cémentation de surface (case hardening) : pièce à faible teneur en carbone chauffée à haute température en atmosphère riche en carbone. La diffusion des atomes de carbone dans la surface dépend du potentiel carbone de l'atmosphère, température et temps d'exposition. Trempe rapide pour durcir noyau et surface. Puis revenu pour satisfaire aux exigences client. Améliore dramatiquement ductilité et ténacité.

Méthodes : cémentation en boîte, gazeuse, sous vide, liquide.

Avantages :

• Pièces simples et complexes
• Augmente dureté de surface
• Augmente résistance à l'usure et à la fatigue

2. Nitruration (Nitriding) :

Ajout d'azote en surface, surtout sur acier. Deux méthodes : gazeuse et plasma. Pièce chauffée à 600 °C en présence de gaz et ammoniaque dissocié. Dureté par formation de nitrures en surface. Procédé gazeux : ammoniaque dissocié comme source. Plasma : ions azote diffusent en surface. Nitruration gazeuse : pas de trempe requise, caisse dure à basse température. Plasma : pénétration trous borgnes impossible, procédé restreint.

Avantages :

• Augmente durée de vie en fatigue
• Augmente résistance à l'usure et corrosion
• Dureté supérieure à la cémentation
• Pas de trempe nécessaire
• Distorsion minimale de la pièce

3. Carbonitruration (Carbonitriding) :

Produit une caisse dure et résistante à l'usure. Carbone et azote diffusent, augmentant la trempabilité, plus dur que la cémentation. Température plus basse que cémentation, donc distorsion réduite. 0,5–0,8 % C et 0,2–0,4 % N ajoutés en surface. Trempe directe à l'huile après diffusion pour éviter fissures.

Avantages :

• Haute dureté surface et résistance à l'usure
• Augmente durée de vie en fatigue de 30 à 100 %
• Distorsion réduite par température plus basse
• Bon pour applications haute température
• Augmente limite d'élasticité et résistance à la traction

4. Nitrocarburation ferritique (Ferritic Nitrocarburising) :

Cémentation de surface pour caisse dure et résistante à l'usure sur aciers bas de gamme. Diffusion N et C en dessous de 650 °C (température critique). Microstructure reste ferritique, pas austénitique.

Traitements modifiant la structure de phase :

1. Durcissement (Hardening)

Principalement métaux ferreux. Chauffage à température prédéterminée puis refroidissement rapide dans eau. Refroidissement air possible. Augmente dureté et résistance mais augmente fragilité.

2. Revenu (Tempering)

Après durcissement, dureté et fragilité augmentent. Dilatation au chauffage, rétraction au refroidissement créant contraintes internes. Revenu pour soulager contraintes et réduire fragilité. Chauffage à température spécifiée (inférieure au durcissement) et refroidissement à l'air calme.

3. Durcissement par induction (Induction Hardening)

Traitement de surface pour durcir surface d'aciers et alliages. Pièces placées dans bobine cuivre réfrigérée à eau, alimentée en courant alternatif. Pièce chauffée au-dessus de la température de transformation. Noyau non affecté. Maintenue jusqu'à profondeur de dureté désirée, puis trempe à l'huile ou autre milieu selon matériau et dureté requise.

Traitement spécial :

1. Frittage (Sintering)

Traitement thermique appliqué à un compact de poudre pour donner résistance et intégrité. Chauffage sous température de fusion (évite liquéfaction). Réduit porosité, améliore propriétés : résistance, dureté, conductivité thermique, etc.

Voici une introduction de base aux traitements thermiques. Pour toute question, commentez ci-dessous. Partagez sur les réseaux sociaux si vous l'avez apprécié. Abonnez-vous pour plus d'articles informatifs. Merci de votre lecture.