Traitement thermique pour pièces usinées CNC : améliorer résistance, dureté et performance

Il existe de nombreuses façons de modifier les propriétés des métaux et leur réponse à l'usinage de précision. L'une de ces méthodes est le traitement thermique. Le traitement thermique affecte de nombreux aspects différents des métaux, y compris la résistance, la dureté, la ténacité, l'usinabilité, la formabilité, la ductilité et l'élasticité. Il affecte également les propriétés physiques et mécaniques du métal, modifiant ainsi l'utilisation du métal ou changeant le travail futur du métal. Ces changements se produisent en raison de changements dans la microstructure et parfois la composition chimique du matériau.

Ici, nous étudions attentivement les traitements thermiques les plus couramment utilisés liés aux alliages métalliques en usinage CNC et comment ces traitements thermiques affectent les pièces en usinage de précision.

Qu'est-ce que le traitement thermique ?

De nombreuses installations de production CNC standard utilisent le traitement thermique. Les fabricants peuvent modifier la résistance, la plasticité et la résistance à la corrosion des composants finis en choisissant d'inclure des processus de traitement thermique.

Ces traitements impliquent de chauffer l'alliage métallique à une température (généralement) extrême, puis de le refroidir sous des conditions contrôlées pour changer l'état physique ou les propriétés mécaniques du matériau. La température à laquelle le matériau est chauffé, le temps de maintien de cette température et le taux de refroidissement affectent grandement les propriétés physiques finales de l'alliage métallique.

Une partie du processus de conception et d'ingénierie consiste à déterminer quelles propriétés physiques sont requises pour la pièce, et à sélectionner le meilleur métal pour répondre à ces exigences. Le traitement thermique des alliages métalliques avant ou après le traitement peut grandement améliorer les propriétés physiques clés. Le traitement thermique augmente la dureté, la résistance ou l'usinabilité du métal.

Types de traitement thermique

Recuit

Le recuit est un processus de traitement thermique par lequel le matériau est chauffé à une température critique, puis lentement refroidi. Le processus de recuit change la structure physique du matériau, le rendant plus doux et plus ductile.

Le recuit est une méthode de traitement thermique dans laquelle un métal tel que l'aluminium, le cuivre, l'acier, l'argent ou le laiton est chauffé à une température spécifique et maintenu à cette température pendant une période pour subir une transformation, puis refroidi à l'air. Ce processus augmente la ductilité du métal et réduit la dureté, rendant le métal plus facile à traiter. Le cuivre, l'argent et le laiton peuvent être refroidis rapidement ou lentement, tandis que les métaux ferreux comme l'acier doivent toujours être refroidis progressivement pour que le recuit se produise.

Le recuit est généralement effectué après la formation de tous les alliages métalliques et avant un traitement ultérieur pour les ramollir et améliorer leur usinabilité, afin que les matériaux plus durs ne se fissurent ou ne se cassent pas facilement. Si aucun autre traitement thermique n'est spécifié, la plupart des pièces usinées CNC auront des propriétés de matériau à l'état recuit.

Revenu

Le revenu chauffe également les pièces à une température inférieure au recuit, généralement après trempe de l'acier doux (1045 et A36) et de l'acier allié (4140 et 4240). Le revenu peut être utilisé pour changer la dureté, la ductilité et la résistance des métaux, ce qui les rend généralement plus faciles à traiter. Le métal sera chauffé à une température inférieure au point critique car la température plus basse réduit la fragilité tout en maintenant la dureté.

Détente (Relâchement des contraintes)

La détente implique de chauffer la pièce à une température élevée (mais inférieure au recuit), puis de refroidir lentement la pièce. Elle est généralement utilisée après l'usinage CNC pour éliminer les contraintes résiduelles générées pendant le processus de fabrication. De cette façon, des pièces avec des propriétés mécaniques plus cohérentes peuvent être produites.

L'élimination des contraintes est une condition nécessaire pour éliminer les contraintes internes du matériau dans le processus de fabrication précédent. S'il n'y a pas de détente, les pièces se fissureront ou perdront leur tolérance pendant l'utilisation, ce qui entraînera finalement des dommages aux pièces.

Trempe

La trempe implique de chauffer le métal à une température très élevée, puis d'effectuer une étape de refroidissement rapide. Habituellement, le matériau est immergé dans l'huile ou l'eau ou exposé à un flux d'air froid. Cependant, selon les propriétés mécaniques finales requises par la pièce, des polymères ou des sels sont parfois utilisés. Le refroidissement rapide « verrouille » les changements microstructuraux que le matériau subit lorsqu'il est chauffé, résultant en une dureté très élevée de la pièce.

Les pièces sont généralement trempées après l'usinage CNC en tant que dernière étape du processus de fabrication pour atteindre une dureté de surface élevée. Le processus de revenu peut ensuite être utilisé pour contrôler la dureté résultante. Par exemple, la dureté de l'acier à outils A2 après trempe est de 63-65 HRC, mais elle peut être revenue à une dureté entre 42 et 62 HRC. Le revenu peut réduire la fragilité des pièces, prolongeant ainsi la durée de vie des pièces (la dureté de 56-58 HRC est optimale pour de meilleurs résultats).

Cémentation (Durcissement de surface)

La cémentation est une série de traitements thermiques qui peuvent entraîner une dureté de surface élevée des pièces tout en maintenant la douceur à l'intérieur du matériau. Cela est généralement meilleur que d'ajouter de la dureté à tout le volume de la pièce (par exemple par trempe), car les pièces plus dures sont aussi plus fragiles.

La cémentation est le traitement thermique de durcissement de surface le plus courant. Pour les métaux à faible teneur en carbone (comme l'acier), du carbone supplémentaire doit être injecté dans la surface, puis la pièce est trempée pour verrouiller le carbone dans la matrice métallique, ce qui augmente la dureté de surface de l'acier d'une manière similaire à la façon dont l'anodisation augmente la dureté de surface des alliages d'aluminium.

Le durcissement de surface est un processus généralement utilisé comme dernière étape après que la pièce a été usinée. Combinez une chaleur élevée avec d'autres éléments et produits chimiques pour produire une couche externe durcie. Comme le durcissement rend les métaux plus fragiles, le durcissement de surface est utile pour les applications qui nécessitent des métaux flexibles avec des couches d'usure durables.

Quand les traitements thermiques sont-ils appliqués ?

L'alliage métallique peut être traité thermiquement tout au long du processus de fabrication. Pour les pièces usinées CNC, les traitements thermiques suivants sont généralement utilisés :

Avant l'usinage CNC : Si requis pour fournir un grade standardisé d'alliage métallique, le fournisseur de services CNC usinera directement les pièces à partir du matériau en stock. C'est généralement la meilleure option pour réduire les délais de livraison.

Après l'usinage CNC : Certains traitements thermiques peuvent augmenter significativement la dureté du matériau, ou être utilisés comme étape de finition après formage. Dans ces cas, une dureté élevée réduira l'usinabilité du matériau, donc le traitement thermique est effectué après l'usinage CNC. Par exemple, c'est la pratique standard lors de l'usinage CNC de pièces en acier à outils.

Comment spécifier un traitement thermique dans votre commande

Lors de la passation d'une commande CNC, il y a trois façons de demander un traitement thermique :

Donner une référence aux normes de fabrication :

De nombreux traitements thermiques ont été standardisés et largement utilisés. Par exemple, l'indicateur T6 dans les alliages d'aluminium (6061-T6, 7075-T6, etc.) indique que le matériau a été durci par précipitation.

Spécifier la dureté requise :

C'est une méthode courante pour spécifier le traitement thermique et le durcissement de surface des aciers à outils. Cela indiquera au fabricant quel traitement thermique il doit effectuer après l'usinage CNC. Par exemple, pour l'acier à outils D2, la dureté est généralement de 56-58 HRC.

Spécifier le cycle de traitement thermique :

Cela nécessite des connaissances métallurgiques avancées. Si vous comprenez comment les différents traitements thermiques affectent les métaux, vous pouvez spécifier le processus de traitement thermique requis afin de pouvoir modifier spécifiquement les propriétés du matériau pour l'application.