Usinage CNC de l'acier : 3 techniques essentielles de pré- et post-traitement

Pour modifier les propriétés de l'acier et le rendre plus facile à usiner, des traitements et processus supplémentaires sont généralement effectués avant la fin de l'usinage. Le durcissement du matériau avant usinage augmente le temps d'usinage et l'usure des outils, mais l'acier peut être traité après usinage pour augmenter la résistance ou la dureté du produit fini. Voici 3 techniques de traitement courantes pour l'acier.

1. Traitement thermique

Le traitement thermique désigne plusieurs processus impliquant la manipulation de la température de l'acier pour modifier ses propriétés matérielles.

Recuit : utilisé pour réduire la dureté et augmenter la ductilité, rendant l'acier plus facile à travailler. Le processus chauffe lentement l'acier à la température désirée pendant une certaine période. Le temps et la température dépendent de l'alliage spécifique et diminuent avec l'augmentation de la teneur en carbone. Enfin, l'acier est lentement refroidi dans un four ou entouré de matériau isolant.

Normalisation : élimine les contraintes internes dans l'acier tout en maintenant une résistance et une dureté supérieures à l'acier recuit. Lors de la normalisation, l'acier est chauffé à haute température puis refroidi à une température appropriée pour améliorer la dureté.

Trempe : durcit l'acier, augmente sa résistance, mais le rend plus fragile. Le processus implique un chauffage lent, un maintien à haute température, puis un refroidissement rapide par immersion dans un liquide (eau, huile ou saumure).

Revenu : atténue une partie de la fragilité due à la trempe. Le revenu est presque identique à la normalisation : chauffage lent à une température choisie, puis refroidissement à l'air. La différence est que le revenu s'effectue à une température plus basse, réduisant la fragilité et la dureté de l'acier revenu.

2. Durcissement par précipitation

Le durcissement par précipitation augmente la limite d'élasticité de l'acier. La principale différence des aciers à durcissement par précipitation est qu'ils contiennent des éléments comme le cuivre, l'aluminium, le phosphore ou le titane, qui augmentent la résistance tout en conservant une ténacité suffisante. Ce sont des aciers inoxydables à haute résistance, appelés aciers PH. Pour activer les propriétés, l'acier est d'abord traité en solution, puis vieilli. Le vieillissement chauffe le matériau sur une longue période, faisant précipiter les éléments ajoutés — formant des particules solides de tailles diverses — qui augmentent la résistance du matériau.

Le 17-4PH (aussi appelé acier 630) est un exemple courant d'acier inoxydable à durcissement par précipitation. Cet alliage contient 17 % de chrome, 4 % de nickel et 4 % de cuivre, ce qui favorise le durcissement par précipitation. Grâce à sa dureté accrue, sa résistance et sa haute résistance à la corrosion, le 17-4PH est utilisé dans les plates-formes d'hélicoptères, les pales de turbines et les fûts de déchets nucléaires.

3. Travail à froid

Les propriétés de l'acier peuvent aussi changer sans appliquer beaucoup de chaleur. Par exemple, l'acier travaillé à froid est renforcé par le processus d'écrouissage. L'écrouissage se produit quand un métal subit une déformation plastique, intentionnellement par martelage, laminage ou étirage. Il peut aussi se produire involontairement pendant l'usinage si l'outil ou la pièce surchauffe. Le travail à froid améliore aussi l'usinabilité de l'acier. L'acier doux se prête particulièrement bien au travail à froid.

Considérations de conception pour les structures en acier

Lors de la conception de pièces en acier, il faut tenir compte des propriétés uniques du matériau. Les caractéristiques qui le rendent adapté à votre application peuvent nécessiter des considérations supplémentaires pour la fabrication (DFM).

L'usinage de l'acier prend plus de temps que pour des matériaux plus tendres comme l'aluminium ou le laiton, en raison de sa dureté. On protège les pièces et les outils en réduisant les vitesses de broche et les avances.

Lors du choix de l'acier, il faut considérer non seulement la dureté et la résistance, mais aussi les différences d'usinabilité. Par exemple, l'acier inoxydable prend environ deux fois plus de temps à usiner que l'acier au carbone. Il faut aussi considérer quelles propriétés sont les plus importantes et quels alliages sont facilement disponibles. Les nuances courantes comme 304 ou 316 sont disponibles dans une plus large gamme de tailles de stock et demandent moins de temps pour l'approvisionnement.