Durcissement de Surface Expliqué : Améliorer la Résistance et la Durabilité des Métaux

La capacité à résister à l'usure et à l'indentation sont deux attributs très importants de certains types de métaux. La dureté, la mesure de ces propriétés, est une considération clé lors de la décision du métal à choisir. Afin de garantir que la dureté du substrat métallique est appropriée, certains métaux modifient leur dureté de surface par une méthode appelée durcissement de surface.

Le durcissement de surface est une technique pour améliorer la durabilité et l'apparence d'une surface métallique, dans laquelle la surface métallique est renforcée en ajoutant une fine couche sur la surface supérieure d'un autre alliage métallique. La fine couche d'alliage est généralement plus dure et plus durable que le métal d'origine.

Qu'est-ce que le Durcissement de Surface ?

Le durcissement de surface est également appelé « durcissement de surface ». C'est un processus de traitement thermique qui durcit la surface de la pièce métallique tout en gardant l'intérieur de la pièce relativement tendre.

Pour le fer ou l'acier à faible teneur en carbone, la procédure de durcissement de surface implique généralement l'ajout de carbone ou d'azote supplémentaire à la surface. Les métaux solides contiennent des molécules et des atomes qui sont étroitement emballés dans une structure cristalline. Lorsque le carbone diffuse du matériau carboné sur la surface de l'acier à faible teneur en carbone ou d'alliage dans la structure cristalline, la résistance et la dureté de la couche externe augmenteront fortement. La profondeur de coquille de diffusion du carbone peut être finement contrôlée pour déterminer les propriétés mécaniques de la coquille.

Pourquoi Durcir la Surface ?

Il y a de nombreuses raisons pour durcir la surface d'un matériau au lieu d'essayer de durcir un objet métallique entier. Une raison est l'efficacité. Par rapport à la section transversale entière du métal, moins d'énergie et de temps sont nécessaires pour chauffer la surface la plus externe du métal. Ces efficacités peuvent économiser beaucoup de coûts dans les opérations de fabrication à grande échelle.

Les pièces durcies en surface sont très appropriées pour les pièces qui sont en contact constant avec des pièces dures ou abrasives, car les pièces durcies en surface sont plus résistantes à l'usure, et elles sont généralement plus fortes que les pièces qui ont subi la procédure de « durcissement traversant », car le noyau des pièces durcies en surface est tendre, donc il peut supporter une plus grande contrainte sans se fissurer. Pendant le processus de durcissement de surface, des températures plus basses sont également appliquées à divers métaux (tels que les couches minces d'acier) pendant le processus de fabrication pour prévenir la déformation.

Types de Méthodes de Durcissement de Surface

Chauffage et Trempe

Aussi appelé durcissement par flamme ou par induction. Comme son nom l'indique, ce processus de durcissement de surface métallique implique la flamme ou la chaleur. Dans ce processus, les pièces en acier à haute teneur en carbone sont chauffées à des températures extrêmes par flamme d'oxygène ou chauffage par induction, et ensuite les pièces en acier au carbone chauffées seront rapidement refroidies par un liquide de refroidissement (généralement de l'eau). Cette trempe par flamme n'a un bon effet que sur l'acier ou le fer avec une teneur en carbone suffisante. La teneur en carbone doit être de 0,3 à 0,6 % en poids. Pour les matériaux en acier ou fer avec une teneur en carbone inférieure à cette valeur, il existe d'autres processus, tels que la nitruration et la cémentation.

Nitruration

La nitruration est une autre forme de technologie de durcissement de surface. Dans ce processus, les pièces en acier sont chauffées à 484-621 °C dans un environnement d'ammoniac et d'ammoniac dissocié. La profondeur de la surface durcie dépend de la durée pendant laquelle la pièce en acier reste dans l'environnement d'ammoniac. Cette méthode doit utiliser des éléments tels que le chrome, le molybdène et l'aluminium pour former des nitrures pour durcir la surface des pièces en acier. La température élevée et l'exposition à l'azote favoriseront la formation de nitrures, qui sont intrinsèquement très durs et résistants à l'usure. Ce processus est efficace seulement lorsque le métal durcit avec des éléments qui peuvent former des nitrures (tels que le chrome et le molybdène). La nitruration nécessite généralement une température plus basse que le chauffage et la trempe, et ne nécessite pas de processus de trempe, réduisant ainsi la déformation.

Cémentation

La cémentation est une autre forme de durcissement de surface largement utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques des substrats en acier. Dans le processus de cémentation, l'alliage d'acier est chauffé à une température élevée et ensuite exposé à une grande quantité de carbone sur sa surface. Selon les exigences de l'application, la source de carbone externe peut être du gaz, du liquide ou du solide. Une grande quantité de carbone externe formera alors des carbures avec d'autres éléments sur la surface de l'acier. Ces carbures fournissent une dureté et une résistance à l'usure plus élevées. Similaire à la nitruration, les exigences de chauffage sont généralement plus basses et peuvent entraîner moins de déformation.

Avantages du Durcissement de Surface

1. Le Durcissement de Surface Améliore la Durabilité et l'Utilisation Économique des Pièces en Acier

L'un des principaux avantages du durcissement de surface est qu'il fournit une durabilité améliorée pour les composants en acier. La résistance mécanique et la dureté de surface produites par le durcissement de surface, ainsi que la rétention du noyau tendre, améliorent significativement la résistance à l'usure et la durée de vie en fatigue du composant. La conservation d'un noyau plus tendre peut améliorer la capacité d'absorber l'énergie libérée par la charge d'impact, aidant ainsi à prolonger la durée de vie et les avantages économiques.

2. Le Durcissement de Surface Permet à l'Acier Avec Une Excellente Usinabilité D'Être Utilisé Pour Des Applications Lourdes

Généralement, les alliages utilisés pour les applications lourdes ont une faible usinabilité car ils doivent être plus durs et plus forts. Dans ce cas, le processus de durcissement de surface permet à l'acier à faible teneur en carbone avec une usinabilité de précision d'être utilisé dans les applications d'armes et de fusils, ainsi que d'autres applications lourdes similaires qui nécessitent une résistance mécanique, une finition de surface fine et une géométrie précise. Le durcissement de surface ultérieur après le traitement fournit une excellente résistance à l'usure et une dureté pour la surface des pièces de précision usinées.

3. Le Durcissement de Surface Améliore la Soudabilité de l'Acier

Le durcissement de surface améliore la soudabilité de l'acier, ce qui est important pour certaines applications d'ingénierie.

4. Le Durcissement de Surface Par Nitruration Peut Minimiser la Déformation

Le durcissement de surface de l'acier par nitruration peut produire une surface porteuse résistante à l'usure à faible coût avec une déformation minimale. À des températures autour de 150 °C (302 °F), la surface nitrurée ne perdra pas sa dureté comme l'acier cémenté.

Conclusion

Dans les applications où les composants sont soumis à des charges de choc, des vibrations et des conditions de désalignement, l'acier durci en surface est le premier choix. Différent de l'acier durci traversant, l'acier à faible teneur en carbone et l'acier allié durci en surface deviennent durs, forts, durs et non fragiles. Le durcissement de surface produit également une surface résistante à l'usure, offrant durabilité et fiabilité.