Qu'est-ce que la trempe superficielle - Cémentation - Définition

La cémentation ou la trempe superficielle est le processus par lequel la dureté de la surface (boîte) d’un objet est améliorée, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant.

Trempe des Métaux

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

La trempe est un processus métallurgique de travail des métaux utilisé pour augmenter la dureté d’un métal. La dureté d’un métal est directement proportionnelle à la limite d’élasticité uniaxiale à l’emplacement de la déformation imposée. Pour améliorer la dureté d’un métal pur, nous pouvons utiliser différentes manières, parmi lesquelles :

Trempe superficielle – Cémentation

La cémentation ou la trempe superficielle est le processus dans lequel la dureté de la surface (boîte) d’un objet est améliorée, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. Après ce processus, la dureté de surface, la résistance à l’usure et la durée de vie à la fatigue sont améliorées. Ceci est accompli par plusieurs processus tels qu’un processus de carburation ou de nitruration par lequel un composant est exposé à une atmosphère carbonée ou azotée à température élevée. Comme cela a été écrit, deux caractéristiques matérielles principales sont influencées :

La dureté et la résistance à l’usure sont considérablement améliorées. En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.
La ténacité n’est pas influencée négativement. La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. Une définition de la ténacité (pour taux de déformation élevé, ténacité à la rupture) est qu’il s’agit d’une propriété qui indique la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une fissure (ou un autre défaut de concentration de contrainte) est présente.

Pour le fer ou l’acier à faible teneur en carbone, qui a une trempabilité faible ou nulle, le processus de cémentation consiste à infuser du carbone ou de l’azote supplémentaire dans la couche de surface. La cémentation est utile dans des pièces telles qu’une came ou une couronne dentée qui doivent avoir une surface très dure pour résister à l’usure, ainsi qu’un intérieur résistant pour résister à l’impact qui se produit pendant le fonctionnement. De plus, la trempe superficielle de l’acier présente un avantage par rapport à la trempe en profondeur (c’est-à-dire le durcissement du métal uniformément sur toute la pièce) car les aciers à faible et moyenne teneur en carbone moins chers peuvent être durcis en surface sans les problèmes de distorsion et de fissuration associés à la par durcissement de sections épaisses. Une couche de surface externe riche en carbone ou en azote (ou cas) est introduit par diffusion atomique à partir de la phase gazeuse. Le boîtier est normalement de l’ordre de 1 mm de profondeur et est plus dur que le noyau interne du matériau.

Classification des méthodes de cémentation

La cémentation par traitement de surface peut être classée en tant que traitements de diffusion ou traitements de chauffage localisés. Les méthodes de diffusion introduisent des éléments d’alliage qui pénètrent dans la surface par diffusion, soit en tant qu’agents de solution solide, soit en tant qu’agents de trempabilité qui aident à la formation de martensite lors de la trempe ultérieure. Dans ce processus, la concentration d’élément d’alliage est augmentée à la surface d’un composant en acier. Les méthodes de diffusion comprennent:

Carburation. La carburation est un processus de cémentation dans lequel la concentration en carbone de surface d’un alliage ferreux (généralement un acier à faible teneur en carbone) est augmentée par diffusion à partir de l’environnement environnant. La carburation produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs moyennes) avec une excellente capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une bonne résistance au grippage.
Nitruration. La nitruration est un processus de cémentation dans lequel la concentration en azote de surface d’un ferreux est augmentée par diffusion à partir du milieu environnant pour créer une surface cémentée. La nitruration produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs peu profondes) avec une bonne capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une excellente résistance au grippage.
Ennuyeux. La boruration, également appelée boronisation, est un processus de diffusion thermochimique similaire à la nitrocarburation dans lequel les atomes de bore diffusent dans le substrat pour produire des couches de surface dures et résistantes à l’usure. Le processus nécessite une température de traitement élevée (1073-1323 K) et une longue durée (1-12 h), et peut être appliqué à une large gamme de matériaux tels que les aciers, la fonte, les cermets et les alliages non ferreux.
Trempe au titane-carbone et au nitrure de titane. Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil. TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique.

Les méthodes de chauffage localisé pour la cémentation comprennent :

Durcissement à la flamme. La trempe à la flamme est une technique de trempe superficielle qui utilise une seule torche avec une tête spécialement conçue pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. C’est une technique similaire à la trempe par induction. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
Trempe par induction. La trempe par induction est une technique de trempe superficielle qui utilise des bobines d’induction pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite sur la surface. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
Durcissement au laser. La trempe au laser est une technique de trempe superficielle qui utilise un faisceau laser pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement (généralement par auto-trempe). Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant.

Carburation – Avantages et application

La carburation est un processus de cémentation dans lequel la concentration en carbone de surface d’un alliage ferreux (généralement un acier à faible teneur en carbone) est augmentée par diffusion à partir de l’environnement environnant. La carburation produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs moyennes) avec une excellente capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une bonne résistance au grippage. La cémentation est généralement utilisée pour les aciers à faible teneur en carbone, qui sont chauffés à une température suffisante pour rendre l’acier austénitique, suivis d’une trempe et d’un revenu pour former une microstructure martensitique. Ainsi, un boîtier martensitique à haute teneur en carbone avec une bonne résistance à l’usure et à la fatigue est superposé à un noyau en acier dur à faible teneur en carbone. Dans sa première application, les pièces étaient simplement placées dans un récipient adapté et recouvertes d’une épaisse couche de poudre de carbone (pack carburation). Aujourd’hui, la pièce d’acier est exposée, à une température élevée (généralement supérieure à 850°C), à une atmosphère riche en gaz hydrocarbure, tel que le méthane (CH4). Dans la cémentation gazeuse, la variante commercialement la plus importante de la cémentation, la source de carbone est une atmosphère de four riche en carbone produite soit à partir d’hydrocarbures gazeux, par exemple, le méthane (CH₄), le propane (C₃H₃) et le butane (C₄H₁₀), ou à partir de liquides hydrocarbonés vaporisés. La chaleur améliore la diffusion du carbone dans les régions de surface et de sous-surface de l’acier. La profondeur de diffusion (profondeur de cas) suit une dépendance temps-température telle que:

Profondeur de cas ∝ D . √ Temps

où le facteur de diffusivité, D, dépend de la température, de la composition chimique de l’acier et du gradient de concentration de carbone à la surface. En température, le facteur de diffusivité augmente de manière exponentielle en fonction de la température absolue. Cette vitesse de diffusion augmente fortement avec l’augmentation de la température ; le taux d’addition de carbone à 925°C est supérieur d’environ 40 % à celui à 870 °C. La profondeur de tout boîtier cémenté est fonction du temps et de la température.

Nitruration

La nitruration est un processus de cémentation dans lequel la concentration en azote de surface d’un ferreux est augmentée par diffusion à partir du milieu environnant pour créer une surface cémentée. La nitruration produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs peu profondes) avec une bonne capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une excellente résistance au grippage. Contrairement à la carburation, dans la nitruration, l’azote est ajouté à la ferrite au lieu de l’austénite. Par conséquent, la nitruration n’implique pas de chauffage dans le champ de phase austénitique et une trempe ultérieure pour former de la martensite. Une température est nettement inférieure et une plage de 500 à 550 °C est généralement utilisée. Ces procédés sont les plus couramment utilisés sur les aciers à faible teneur en carbone et faiblement alliés. Ils sont également utilisés sur les aciers à moyenne et haute teneur en carbone, le titane, l’aluminium et le molybdène. Le durcissement le plus important est obtenu avec une classe d’aciers alliés (type nitralloy) contenant environ 1 % d’Al. Les applications typiques incluent la production de composants de machines, d’arbres, d’essieux, d’engrenages, de vilebrequins, d’arbres à cames, de suiveurs de came, de pièces de soupape, de vis d’extrudeuse, d’outils de moulage sous pression ou de matrices de forgeage.

Carbonitruration

Carbonitruration est un traitement thermique de cémentation qui introduit du carbone et de l’azote dans l’austénite de l’acier conduit de 1073 K à 1173 K. Ce traitement est similaire à la carburation en ce que la composition de l’austénite est modifiée et une dureté de surface élevée est produite par trempe pour former de la martensite. La carbonitruration est souvent appliquée à l’acier à faible teneur en carbone peu coûteux et facile à usiner pour conférer les propriétés de surface des nuances d’acier plus chères et difficiles à travailler sans avoir besoin d’une trempe drastique, ce qui entraîne moins de distorsion et réduit le risque de fissuration du travail. La dureté de surface des pièces carbonitrurées varie de 55 à 62 HRC. La carbonitruration (autour de 850 °C / 1550 °F) est réalisée à des températures nettement supérieures à la nitruration ordinaire (autour de 530 °C / 990 °F) mais légèrement inférieures à celles utilisées pour la cémentation (autour de 950 °C / 1700 °F) et pour des temps plus courts. Elle est souvent effectuée sur des pièces de transmission de puissance, telles que des dents d’engrenages, des cames, des arbres, des roulements, qui sont soumises à des conditions de fonctionnement en fatigue structurelle et de surface.

Ennuyeux

La boruration, également appelée boronisation, est un processus de diffusion thermochimique similaire à la nitrocarburation dans lequel les atomes de bore diffusent dans le substrat pour produire des couches de surface dures et résistantes à l’usure. Le processus nécessite une température de traitement élevée (1073-1323 K) et une longue durée (1-12 h), et peut être appliqué à une large gamme de matériaux tels que les aciers, la fonte, les cermets et les alliages non ferreux. La surface résultante contient des borures métalliques, tels que des borures de fer, des borures de nickel et des borures de cobalt. En tant que matériaux purs, ces borures ont une dureté et une résistance à l’usure extrêmement élevées.

Leurs propriétés favorables se manifestent même lorsqu’elles ne représentent qu’une petite fraction du solide en vrac. Les propriétés des couches de borure sont généralement supérieures à celles formées par nitruration et cémentation, notamment en termes de dureté. La plupart des surfaces en acier boruré auront des duretés de couche de borure de fer allant de 1200 à 1600 HV. Superalliages à base de nickel tels que Inconel et Hastalloys auront généralement des duretés de couche de borure de nickel de 1700-2300 HV. La dureté de la couche de borure peut être conservée à des températures plus élevées que, par exemple, celle des boîtiers nitrurés. D’autre part, la cémentation au gaz et la nitruration au plasma ont l’avantage sur la boruration car ces deux procédés offrent des coûts d’exploitation et de maintenance réduits, nécessitent des temps de traitement plus courts et sont relativement faciles à utiliser. La boruration est généralement utilisée pour de nombreuses applications hautes performances telles que l’automobile, les machines-outils, l’aérospatiale, les outils hydrauliques, les industries agricoles et de défense, etc.

Revêtements en nitrure de titane et en carbure de titane

Acier à haute vitesse — L’acier rapide (HSS) est un acier à outils à haute dureté, haute résistance à l’usure et haute résistance à la chaleur. L’acier rapide est souvent utilisé dans les lames de scies électriques et les forets.

Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil.

TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique. Une utilisation bien connue du revêtement TiN est la rétention des arêtes et la résistance à la corrosion sur les machines-outils, telles que les forets et les fraises, améliorant souvent leur durée de vie d’un facteur trois ou plus.

Le TiC est un matériau céramique réfractaire extrêmement dur (Mohs 9–9,5), similaire au carbure de tungstène. Il est également utilisé comme revêtement de surface résistant à l’abrasion sur les pièces métalliques, telles que les outils et les mécanismes de montre. Le carbure de titane est également utilisé comme revêtement de protection thermique pour la rentrée atmosphérique des engins spatiaux.

Par exemple, l’acier rapide au molybdène – AISI M2 est le HSS industriel « standard » et le plus utilisé. Ce type d’acier peut être revêtu de nitrure de titane. Les aciers rapides au molybdène sont désignés comme aciers du groupe M selon le système de classification AISI. M2 HSS a des carbures petits et uniformément répartis offrant une résistance élevée à l’usure, bien que sa sensibilité à la décarburation soit un peu élevée. Il est généralement utilisé pour fabriquer une variété d’outils, tels que des forets, des tarauds et des alésoirs. Les teneurs en carbone et en alliage sont équilibrées à des niveaux suffisants pour fournir une réponse de durcissement élevée, une excellente résistance à l’usure, une résistance élevée aux effets de ramollissement des températures élevées et une bonne ténacité pour une utilisation efficace dans les applications de coupe industrielles.

Induction durcissante

La trempe par induction est une technique de trempe superficielle qui utilise des bobines d’induction pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite sur la surface. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement. La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantité suffisante pour former de la cémentite (Fe₃C). La trempe par induction produit une surface dure et très résistante à l’usure (profondeurs profondes) avec une bonne capacité de charge de contact et une bonne résistance à la fatigue en flexion. Le matériau a une bonne résistance au grippage.

Le chauffage est réalisé en plaçant une pièce en acier dans le champ magnétique généré par un courant alternatif à haute fréquence traversant un inducteur, généralement une bobine de cuivre refroidie à l’eau. Ces courants dits de Foucault dissipent de l’énergie et produisent de la chaleur en circulant contre la résistance d’un conducteur imparfait. Avec le chauffage par induction, l’acier peut être chauffé très rapidement au rouge à la surface, avant que la chaleur ne puisse pénétrer à n’importe quelle distance dans le métal. La surface est ensuite trempée, le durcissant, et est souvent utilisé sans autre trempe. Cela rend la surface très résistante à l’usure, et le cœur du composant reste insensible au traitement et ses propriétés physiques sont celles de la barre à partir de laquelle il a été usiné, tandis que la dureté du boîtier peut se situer dans la plage 37/58 HRC. Les aciers moyennement carbonés faiblement alliés trempés par induction sont largement utilisés pour les applications automobiles et mécaniques critiques qui nécessitent une résistance élevée à l’usure. Une utilisation courante de la trempe par induction est de durcir les surfaces d’appui, ou « tourillons », sur les vilebrequins automobiles ou les tiges de vérins hydrauliques. Le comportement de résistance à l’usure des pièces trempées par induction dépend de la profondeur de durcissement et de l’amplitude et de la distribution de la contrainte de compression résiduelle dans la couche de surface.

Durcissement à la flamme

La trempe à la flamme est une technique de trempe superficielle qui utilise une seule torche avec une tête spécialement conçue pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. C’est une technique similaire à la trempe par induction. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.

Une utilisation courante de la trempe par induction est la trempe de grandes pièces telles que des engrenages et des voies de machines-outils, avec des tailles ou des formes qui rendraient le traitement thermique au four impraticable. L’engrenage sera généralement trempé et revenu à une dureté spécifique d’abord, rendant la majorité de l’engrenage résistant, puis les dents sont rapidement chauffées et immédiatement trempées, ne durcissant que la surface. Le comportement de résistance à l’usure des pièces trempées par induction dépend de la profondeur de durcissement et de l’amplitude et de la distribution de la contrainte de compression résiduelle dans la couche de surface.

Durcissement au laser

La trempe au laser est une technique de trempe superficielle qui utilise un faisceau laser pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement (généralement par auto-trempe). Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. La chaleur générée par l’absorption de la lumière laser est contrôlée pour empêcher la fusion et est donc utilisée dans l’austénitisation sélective des régions de surface locales. Le phénomène d’auto-extinction s’applique après avoir retiré la source de chaleur de la zone d’interaction. L’énergie thermique absorbée par la couche de surface est rapidement distribuée à l’ensemble de la pièce.

La martensite est une structure métastable très dure avec une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps (BCT). La martensite se forme dans les aciers lorsque la vitesse de refroidissement de l’austénite est si élevée que les atomes de carbone n’ont pas le temps de se diffuser hors de la structure cristalline en quantités suffisamment importantes pour former de la cémentite (Fe₃C). La trempe au laser produit une surface dure et très résistante à l’usure (profondeurs de boîtier peu profondes). Les zones superficielles minces qui sont chauffées et refroidies très rapidement donnent des microstructures martensitiques très fines, même dans les aciers à trempabilité relativement faible. La trempe au laser est largement utilisée pour durcir des zones localisées de composants de machines en acier et en fonte. Les principaux avantages sont les suivants: possibilité de traitement thermique de surface sélectif des pièces complexes, déformations minimales des pièces traitées, processus rapide, propre et contrôlé par ordinateur.

Références :

Science des matériaux:

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
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En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
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JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Travail des métaux

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