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PolskiComment choisir le meilleur traitement thermique - Process Guide
Dans le processus de conception des composants d'équipement, des considérations clés telles que la dureté et la résistance aux chocs jouent un rôle essentiel dans la définition de leur fonctionnalité. Certains composants nécessitent des niveaux spécifiques de dureté ou de résilience, en particulier ceux qui sont engagés dans des interactions de glissement avec d'autres pièces ou qui sont soumis à des forces d'impact.
Dans les cas où des propriétés particulières sont requises, il peut s'avérer insuffisant de se fier uniquement aux caractéristiques intrinsèques du matériau. Dans de telles situations, le traitement thermique est la solution qui permet d'obtenir les caractéristiques requises pour les pièces sur mesure. Toutefois, le choix du matériau et de la méthode de traitement thermique appropriés pour obtenir les propriétés souhaitées peut s'avérer difficile en raison de la variété et de la complexité des options de traitement thermique disponibles.
Le traitement thermique se décline en plusieurs types et est adapté à différents matériaux et objectifs. Par conséquent, de nombreux concepteurs peuvent ne pas être familiarisés avec ce système, à moins qu'ils n'aient des exigences spécifiques.
Dans cet article, nous avons rassemblé des informations de base et des points clés pour le choix et l'application des traitements thermiques couramment utilisés pour les composants d'équipement.
Traitements thermiques courants
Le traitement thermique consiste à soumettre les composants à des processus de chauffage et de refroidissement contrôlés afin de modifier leur structure globale ou superficielle. Dans le cas des aciers contenant du carbone en particulier, le traitement thermique peut modifier de manière significative les propriétés telles que la dureté, la résistance à la corrosion, la résistance à l'usure et la résistance aux chocs.
Ces méthodes sont classées en deux grandes catégories : le "traitement thermique global", qui traite l'ensemble du composant, et le "traitement thermique de surface", qui cible principalement la surface du composant. Le traitement thermique en masse comprend des processus tels que la trempe et le revenu, le recuit et la normalisation, tandis que les méthodes de traitement thermique en surface comprennent la trempe par induction, la cémentation et la nitruration.
Les effets du traitement thermique dépendent de facteurs tels que la température de chauffage, la vitesse de refroidissement et le milieu de refroidissement utilisé. Un refroidissement rapide, comme dans le cas de la trempe, entraîne généralement une augmentation de la dureté, mais aussi de la fragilité. À l'inverse, les méthodes de refroidissement plus lentes, telles que le recuit et la normalisation, visent à affiner la structure du matériau.
Différentes techniques de refroidissement, notamment la trempe à l'eau, la trempe à l'huile, le refroidissement à l'air et le refroidissement au four, sont choisies en fonction des résultats souhaités du processus de traitement thermique.
Il est impératif d'examiner attentivement le contenu suivant afin de déterminer la combinaison optimale de matériau et de traitement thermique pour obtenir la fonctionnalité et les performances souhaitées pour les composants de votre équipement.
Principes de base du traitement thermique en vrac
Les compositions d'acier contenant différentes teneurs en carbone présentent des températures de transformation distinctes, en particulier autour du seuil critique de 0,8 % de teneur en carbone. Les aciers dont la teneur en carbone est précisément de 0,8 % entrent dans la catégorie des aciers eutectoïdes, tandis que les aciers dont la teneur en carbone est inférieure à ce seuil sont qualifiés d'aciers hypoeutectoïdes et ceux dont la teneur en carbone est supérieure à ce seuil sont qualifiés d'aciers hypereutectoïdes.
Types et processus de traitement thermique
Le traitement thermique consiste à soumettre des pièces d'acier à des processus de chauffage contrôlé et de refroidissement ultérieur, ce qui entraîne des modifications de leur structure globale ou superficielle. Ce processus de transformation influence les propriétés essentielles de l'acier, notamment la dureté, la résistance à la corrosion, la résistance à l'usure et la résistance aux chocs.
Les méthodes de traitement thermique se divisent en deux grandes catégories : le traitement thermique global, qui concerne l'ensemble du composant, et le traitement thermique de surface, qui vise principalement les couches superficielles. Le traitement thermique en masse englobe des processus tels que la trempe et le revenu, le recuit et la normalisation. Inversement, les méthodes de traitement thermique de surface comprennent la trempe par induction, la cémentation et la nitruration.
L'efficacité du traitement thermique dépend de plusieurs facteurs, notamment de la température et de la vitesse de chauffage et de refroidissement. Le refroidissement rapide après le chauffage, tel qu'il est observé dans la trempe, améliore généralement la dureté, mais avec un compromis potentiel en termes de fragilité. À l'inverse, les méthodes de refroidissement plus lentes, comme le recuit et la normalisation, visent à affiner la structure du matériau sans en compromettre l'intégrité.
Différentes techniques de refroidissement, telles que la trempe à l'eau, la trempe à l'huile, le refroidissement à l'air et le refroidissement au four, sont méticuleusement sélectionnées en fonction des résultats souhaités du processus de traitement thermique.
La compréhension des sections suivantes fournira des indications précieuses pour déterminer les combinaisons optimales de matériaux et de traitements thermiques permettant d'obtenir les propriétés et les niveaux de performance souhaités.
Trempe et revenu : comprendre le processus
L'acier, lorsqu'il est chauffé à des températures avoisinant les 800°C, se transforme en une structure connue sous le nom d'"austénite". Cette transformation est cruciale pour préparer le matériau à un traitement ultérieur. Ensuite, le matériau est rapidement refroidi, un processus appelé "trempe", pour induire la formation d'une structure durcie connue sous le nom de "martensite".
Si la trempe augmente la dureté, elle introduit souvent une fragilité qui rend le matériau impropre à une utilisation immédiate. Pour y remédier, le matériau est soumis à un processus appelé "trempe", au cours duquel il est réchauffé à une température inférieure à celle de la trempe, puis lentement refroidi. Lors de la trempe, la température de réchauffage joue un rôle crucial. Le réchauffage à des températures plus élevées réduit la dureté et augmente la ductilité, c'est ce que l'on appelle le "revenu à haute température". À l'inverse, le réchauffage à des températures plus basses privilégie la dureté sur la ductilité, c'est ce que l'on appelle le "revenu à basse température".
Généralement, la trempe et le revenu sont effectués en même temps, ce qui permet d'obtenir un équilibre optimal entre la dureté et la ductilité du produit final.
La trempe implique un processus de chauffage et de refroidissement soigneusement contrôlé.
Le chauffage est effectué dans des fours spécialisés, augmentant la température du matériau jusqu'au point où il se transforme en austénite. La température varie en fonction du type d'acier, les aciers hypoeutectoïdes nécessitant des températures autour de A3 et les aciers hypereutectoïdes des températures légèrement supérieures à A1 (environ 30-50°C).
Un contrôle minutieux de la température est crucial pendant le processus de trempe pour garantir une transformation efficace. Le dépassement ou l'insuffisance de la plage de température optimale peut entraîner une transformation incomplète ou des propriétés indésirables dans le produit final.
Après avoir été chauffé, le matériau subit un refroidissement rapide pour induire la formation de martensite. Diverses méthodes de refroidissement, telles que la trempe à l'eau, la trempe à l'huile, le refroidissement à l'air, les solutions d'eau et le refroidissement par bain de sel, sont utilisées en fonction du résultat souhaité et des caractéristiques du matériau.
Chaque méthode de refroidissement offre des avantages et des défis uniques. Par exemple, la trempe à l'eau permet d'obtenir des taux de refroidissement rapides à faible coût, mais peut entraîner des déformations si elle n'est pas exécutée correctement. En revanche, la trempe à l'huile permet un refroidissement plus uniforme, mais à un rythme plus lent.
Recuit
Le recuit est un processus de traitement thermique au cours duquel les métaux sont progressivement refroidis après avoir été chauffés, ce qui permet d'obtenir une structure uniforme et plus souple. Cette technique permet de réduire les contraintes internes et d'améliorer l'usinabilité. Le recuit englobe diverses méthodes telles que le recuit complet, le recuit d'adoucissement, le recuit de détente, le recuit de diffusion et le recuit de sphéroïdisation, chacune adaptée à des plages de température spécifiques en fonction du résultat souhaité. Bien qu'il soit généralement appliqué à l'acier au carbone, le recuit est également utilisé pour l' acier inoxydable, les alliages d'aluminium et d'autres matériaux.
Le recuit est souvent associé au concept de "ramollissement" du matériau, ce qui le rend plus facile à travailler.
En outre, le recuit élimine les contraintes résiduelles des composants et améliore leur usinabilité grâce à l'application de la chaleur. Pour les produits d'usinage à coupe fine, un traitement de recuit opportun peut améliorer la précision du produit final.
Le recuit peut être effectué sur des matériaux bruts ou sur des pièces partiellement usinées. En particulier pour les matériaux tels que EN 1.4301 equiv. (SUS304), susceptible de se déformer sous l'effet des contraintes d'usinage, le recuit permet d'améliorer la précision, notamment en ce qui concerne la planéité.
L'échange actif d'informations avec l'atelier de fabrication peut aider à déterminer la faisabilité et le calendrier des processus de recuit.
Normalisation
La normalisation est une méthode de traitement thermique utilisée pour homogénéiser et affiner la structure des composants en acier produits dans des conditions telles que le moulage, le forgeage ou le laminage, qui peuvent introduire des contraintes internes. La normalisation permet d'aligner la structure et de garantir les propriétés mécaniques souhaitées.
Trempe par induction à haute fréquence
La trempe par induction à haute fréquence est une méthode de traitement de surface qui consiste à chauffer sélectivement la surface d'un composant à des températures supérieures à 800°C à l'aide d'un chauffage par induction à courant alternatif. Principalement utilisée pour améliorer la dureté et la résistance à la fatigue des composants en forme d'arbre ou d'engrenage, cette méthode consiste à placer le composant près d'une bobine de chauffage électrique et à faire passer des courants induits à haute fréquence à travers la bobine pour chauffer rapidement la surface du composant par chauffage résistif. Un revenu ultérieur à basse température rétablit la ductilité.
La trempe par induction à haute fréquence ne traite que la surface, ce qui améliore la dureté et la résistance à l'usure tout en conservant la ténacité à l'intérieur. Comme le chauffage n'est que partiel, la déformation et les changements dimensionnels sont minimisés.
Pour les pièces en forme d'arbre, le traitement thermique peut entraîner des déformations telles que le cintrage, ce qui nécessite un redressement à l'aide de presses. La trempe superficielle par induction à haute fréquence induit des contraintes résiduelles de compression sur la surface, ce qui améliore la résistance à la fatigue. En outre, la dureté de surface obtenue par trempe par induction à haute fréquence est légèrement supérieure à celle obtenue par trempe et revenu conventionnels.
Considérée comme respectueuse de l'environnement en raison de sa courte durée de chauffage, la trempe par induction à haute fréquence offre l'avantage de pouvoir spécifier les zones et la profondeur de trempe. Il s'agit d'une forme de durcissement superficiel, mais il existe d'autres méthodes telles que le durcissement à la flamme (HQF), le durcissement par faisceau d'électrons et le durcissement au laser.
Traitement de cémentation
Pour durcir l'acier par trempe, le carbone est essentiel. Alors que l'acier à forte teneur en carbone, comme l'acier au carbone, se prête à la trempe, l'acier à faible teneur en carbone, comme l'acier à faible teneur en carbone, ne réagit pas bien à ce processus. Dans ce cas, le traitement de cémentation est utilisé pour augmenter la teneur en carbone à la surface, ce qui facilite la trempe.
L'acier à faible teneur en carbone, bien que rentable et doté d'une excellente maniabilité par rapport à l'acier à haute teneur en carbone, manque souvent de dureté. Le traitement de cémentation améliore la dureté de la surface de manière sélective, en tirant parti des atouts de l'acier à faible teneur en carbone tout en renforçant ses faiblesses.
Pendant le traitement de cémentation, le composant est chauffé avec un agent de cémentation, ce qui permet au carbone de se diffuser et d'imprégner la surface. Les différentes méthodes de cémentation comprennent la cémentation solide (charbon de bois), la cémentation liquide (sel de cyanure) et la cémentation gazeuse (hydrocarbure gazeux), en fonction du type d'agent de cémentation utilisé.
Le traitement de cémentation impliquant un chauffage prolongé à haute température, la structure de la partie centrale du composant subit une transformation. Par conséquent, les processus de trempe et de revenu sont généralement effectués après le traitement de cémentation. Principalement utilisé pour les aciers à faible teneur en carbone, ce traitement permet d'obtenir une surface d'une dureté et d'une résistance à l'usure accrues, tout en conservant une structure intérieure souple.
Nitruration
Le traitement de nitruration consiste à augmenter la dureté de la surface d'un composant par l'introduction de composés azotés. Les méthodes comprennent la nitruration au gaz, la nitruration en bain de sel, la nitruration douce au gaz et la nitruration ionique. En exposant la surface à une atmosphère contenant de l'ammoniac ou de l'azote à des températures inférieures à la température d'austénitisation, l'azote pénètre dans la surface, ce qui entraîne un durcissement.
Le traitement de nitruration ne nécessite pas d'augmentation de la température de traitement, ce qui élimine la nécessité d'un traitement thermique après traitement et minimise la déformation. On distingue le traitement de nitruration, qui permet d'atteindre une dureté d'environ 1000 HV, et le traitement de nitruration douce, qui atteint environ 600 HB et vise à améliorer la résistance à la fatigue.
En raison de la faible température de traitement, même les aciers trempés et revenus peuvent atteindre une dureté de surface accrue tout en conservant une dureté interne. Il est également connu pour être utilisé pour les aciers inoxydables austénitiques tels que EN 1.4301 equiv. (SUS304) et EN 1.4401 equiv. (SUS316). L'épaisseur et la dureté de la couche nitrurée varient en fonction de la température de traitement et se situent généralement entre 0,1 et 0,5 mm.
Conclusion - Points clés à prendre en compte lors de la conception d'un traitement thermique
Dans cet article de blog, nous avons abordé les traitements thermiques courants utilisés dans les composants d'équipement. Il est évident que le traitement thermique est un moyen très efficace de durcir les surfaces, d'améliorer la résistance à l'usure et de renforcer la résistance aux chocs des composants. Toutefois, il est essentiel de tenir compte de certaines considérations de conception lors de l'utilisation du traitement thermique.
Il est important de noter que le traitement thermique peut entraîner des déformations et des modifications dimensionnelles dues à l'application de la chaleur. Les zones de précision peuvent nécessiter une marge pour les processus de finition après traitement afin d'obtenir des formes précises.
Les composants durcis par traitement thermique peuvent poser des problèmes pour l'usinage avec des fraises en bout, en particulier lorsque la dureté dépasse HRC60. Il est donc essentiel de déterminer à l'avance l'étendue et l'emplacement des indemnités et des méthodes de finition.
La rectification est relativement simple pour les surfaces et les formes cylindriques. Toutefois, pour les formes comportant des marches, des méthodes de meulage spéciales telles que le meulage en relief (par exemple, des rainures en relief) sont nécessaires pour éviter tout contact entre la meule et la surface.
Pour les formes complexes où l'usinage conventionnel est difficile, la finition peut nécessiter des machines de meulage spécialisées, ce qui peut augmenter les coûts de traitement. Minimiser les zones nécessitant une finition peut contribuer à réduire les coûts, c'est pourquoi il faut s'efforcer de concevoir des modèles nécessitant un minimum de finition.
Si la déformation est un problème, opter pour un traitement de nitruration peut être une alternative viable. En outre, si la dureté de la surface est nécessaire, il convient d'envisager des alternatives telles que le chromage dur ou le nickelage, qui ont été présentés précédemment.
L'utilisation efficace des méthodes de traitement thermique présentées ici dans vos conceptions peut conduire à des conceptions rationnelles et efficaces.
