Qu'est-ce que la cémentation ?

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 un facteur clé lors du choix du métal. Afin de s'assurer que la dureté du substrat métallique est appropriée, certains métaux modifient leur dureté de surface grâce à une méthode appelée durcissement de surface.

La cémentation 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 la cémentation ?

La cémentation est également appelée « trempe superficielle ». Il s'agit d'un processus de traitement thermique qui durcit la surface de la pièce métallique tout en gardant l'intérieur de la pièce relativement souple.

Pour le fer ou l'acier à faible teneur en carbone, la procédure de cémentation 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 à la surface de l'acier à faible teneur en carbone ou de l'acier allié dans la structure cristalline, la résistance et la dureté de la couche externe augmentent fortement. La profondeur de diffusion du carbone dans la coque peut être finement contrôlée pour déterminer les propriétés mécaniques de la coque.

Pourquoi Case Harden ?

Il existe de nombreuses raisons de durcir la surface d'un matériau au lieu d'essayer de durcir un objet métallique entier. Une des raisons 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 gains d'efficacité peuvent réduire considérablement les coûts des opérations de fabrication à grande échelle.

Les pièces cémentées conviennent très bien aux pièces qui sont en contact constant avec des pièces dures ou abrasives, car les pièces trempées en surface sont plus résistantes à l'usure et elles sont généralement plus solides que les pièces qui ont subi la procédure de «trempe à cœur», car le noyau des pièces durcies en surface est douce, de sorte qu'elle peut résister à 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 des couches d'acier minces) pendant le processus de fabrication pour éviter la déformation.

Types de méthodes de cémentation

Chauffage et trempe

Aussi appelé trempe à la 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 une flamme d'oxygène ou un chauffage par induction, puis les pièces en acier au carbone chauffées seront rapidement refroidies par un liquide de refroidissement (généralement de l'eau). Cette trempe à la 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 C. Pour les matériaux en acier ou en fer dont la teneur en carbone est inférieure à cette valeur, il existe d'autres procédés, 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 afin de durcir la surface des pièces en acier. Une température élevée et une exposition à l'azote favoriseront la formation de nitrures, qui sont intrinsèquement très durs et résistants à l'usure. Ce processus n'est efficace que lorsque le métal durcit avec des éléments pouvant 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.

Carburation

La carburation est une autre forme de trempe superficielle largement utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques des substrats en acier. Dans le processus de cémentation, l'alliage d'acier est chauffé à haute température puis exposé à une grande quantité de carbone à sa surface. Selon les exigences de l'application, la source de carbone externe peut être gazeuse, liquide ou solide. Une grande quantité de carbone externe formera alors des carbures avec d'autres éléments à la surface de l'acier. Ces carbures offrent une dureté et une résistance à l'usure plus élevées. Semblable à la nitruration, les exigences de chauffage sont généralement inférieures et peuvent entraîner moins de déformation.

Avantages de la cémentation

1. Le durcissement de surface améliore la durabilité et l'utilisation économique des pièces en acier

L'un des principaux avantages de la cémentation est qu'elle offre une durabilité accrue aux composants en acier. La résistance mécanique et la dureté de surface produites par le durcissement superficiel, ainsi que la rétention du noyau mou, améliorent considérablement la résistance à l'usure et la durée de vie du composant. Le maintien d'un noyau plus souple peut améliorer la capacité d'absorption de l'énergie libérée par la charge d'impact, contribuant ainsi à prolonger la durée de vie et les avantages économiques.

2. La trempe de surface permet à l'acier avec une excellente usinabilité d'être utilisé pour les applications lourdes

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

3. Le durcissement de surface améliore la soudabilité de l'acier

La trempe superficielle 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 superficiel de l'acier par nitruration peut produire une surface portante peu coûteuse et résistante à l'usure avec une déformation minimale. À des températures d'environ 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 cémenté est le premier choix. Différent de l'acier trempé à cœur, l'acier à faible teneur en carbone trempé en surface et l'acier allié deviennent résistants, solides, durs et non cassants. Le durcissement de surface produit également une surface résistante à l'usure, offrant durabilité et fiabilité.