De nombreux composants, tels que les engrenages, les cames et les arbres, sont soumis à une usure superficielle et à une abrasion importantes en fonctionnement. Parallèlement, ils doivent présenter une résistance interne et une ductilité suffisantes pour résister aux chocs et éviter les fractures. La cémentation offre la combinaison idéale de propriétés pour répondre à ces exigences contradictoires.
Qu'est-ce que la cémentation
La cémentation, également appelée trempe superficielle, est une technique de traitement des matériaux largement utilisée pour améliorer la durabilité et les performances des pièces mécaniques. Ce procédé modifie stratégiquement la couche externe d'une pièce métallique pour former une couche superficielle dure et résistante à l'usure, souvent appelée « coque », tout en conservant une couche interne plus tendre et plus résistante, appelée « cœur ».
Le processus de cémentation est généralement réalisé par l'une des deux méthodes suivantes :
- Modification de la structure cristalline du métal par traitement thermique
- Introduire des éléments spécifiques (tels que le carbone ou l'azote) dans la composition de la surface
Les deux méthodes produisent un composant doté d’une coque extérieure dure qui résiste à l’usure et d’un noyau plus souple et plus ductile qui offre ténacité et résistance.
Méthodes de cémentation
Carburation
La cémentation est un procédé de cémentation largement utilisé qui augmente la dureté superficielle de l'acier bas carbone en introduisant du carbone dans sa couche externe. Le composant en acier est chauffé dans un environnement riche en carbone, généralement à des températures élevées comprises entre 800 °C et 1050 XNUMX °C. Les atomes de carbone du milieu environnant se diffusent à la surface de l'acier, formant une couche à haute teneur en carbone.
Après cémentation, le composant est trempé et revenu afin d'obtenir une couche superficielle dure et résistante à l'usure, offrant une bonne ténacité et une bonne résistance à la fatigue. La profondeur de cémentation et la dureté peuvent être contrôlées en ajustant le temps de cémentation, la température et le potentiel carbone de l'atmosphère du four.
Nitruration
La nitruration améliore les propriétés de surface de l'acier en introduisant de l'azote dans la couche superficielle. La pièce en acier est chauffée à une température relativement basse (généralement entre 480 °C et 620 °C) dans un environnement riche en azote, tel que de l'ammoniac gazeux ou un bain de sel contenant de l'azote.
Les atomes d'azote se diffusent à la surface de l'acier, formant des précipités de nitrure dur. La nitruration produit une couche mince et très dure, offrant une excellente résistance à l'usure, à la fatigue et à la corrosion. Elle provoque une distorsion minimale et peut être appliquée aux pièces finies.
Cyanure
Lors du procédé de cyanuration, la pièce en acier est immergée dans un bain fondu de sels de cyanure (tels que le cyanure de sodium ou de potassium) à des températures comprises entre 800 °C et 950 °C environ. Ce procédé introduit du carbone et de l'azote à la surface, créant ainsi un effet de carbonitruration.
Après traitement, la pièce est trempée puis rincée pour éliminer tout résidu de cyanure. La cyanuration produit une coque fine et dure offrant une bonne résistance à l'usure, mais l'utilisation de sels de cyanure toxiques pose des problèmes environnementaux et de sécurité.
Induction durcissante
La trempe par induction utilise l'induction électromagnétique pour chauffer rapidement la surface d'une pièce en acier contenant suffisamment de carbone. La pièce est placée dans ou à proximité d'une bobine de cuivre parcourue par un courant alternatif haute fréquence. Cela induit des courants de Foucault à la surface de la pièce, la faisant chauffer au-delà de la température de transformation.
Immédiatement après chauffage, la pièce est rapidement trempée, généralement avec de l'eau, de l'huile ou une solution polymère. La couche superficielle chauffée se transforme alors en martensite, créant ainsi une couche dure et résistante à l'usure. La trempe par induction est rapide, économe en énergie et permet de durcir sélectivement des zones spécifiques d'une pièce.
Autres méthodes
D'autres méthodes de cémentation comprennent :
- Carbonitruration : Le carbone et l'azote sont introduits simultanément à la surface de l'acier à des températures plus basses que la cémentation conventionnelle. Cela forme une couche superficielle fine mais très dure.
- Nitrocarburation ferritique : L'azote et le carbone se diffusent dans la surface des alliages ferreux à des températures sous-critiques, améliorant ainsi la résistance à l'usure, la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue.
- Durcissement à la flamme : Une flamme d'oxygène directe chauffe rapidement une surface spécifique d'une pièce en acier à haute teneur en carbone, puis la trempe. Elle permet de durcir sélectivement des composants de grande taille.
Avantages de la cémentation
La cémentation offre plusieurs avantages clés pour optimiser les performances des composants mécaniques :
- Meilleure résistance à l'usure:La couche de surface dure minimise les dommages causés par l'abrasion, l'usure par glissement et le contact métal sur métal.
- Résistance à la fatigue améliorée:Les contraintes résiduelles de compression dans le boîtier améliorent la résistance aux ruptures par fatigue.
- Solidité maintenue:Le noyau robuste et ductile offre une résistance aux impacts et aux chocs, empêchant ainsi la rupture fragile.
- Durcissement sélectif: Certaines zones spécifiques peuvent être cémentées tout en laissant d'autres régions non traitées.
- Rentabilité:Permet l'utilisation d'aciers à faible teneur en carbone peu coûteux pour le matériau en vrac plutôt que d'alliages coûteux trempés à cœur.
