Qu'est-ce que le durcissement de surface

Les composants des machines sont sujets à l’usure, à la fatigue et à la corrosion, ce qui entraîne une réduction des performances et une durée de vie plus courte.

Si ces problèmes ne sont pas résolus, ils entraînent des temps d'arrêt imprévus, des réparations coûteuses et une baisse de productivité. Les conséquences peuvent être graves pour les industries fortement dépendantes des machines.

Le durcissement de surface est une technique éprouvée qui améliore la durabilité et la longévité des composants critiques des machines, minimisant l’usure tout en maintenant la ténacité du matériau de base.

Qu'est-ce que le durcissement de surface

La trempe superficielle est une technique de traitement des matériaux qui améliore la durabilité et les performances des composants métalliques en augmentant la dureté de la surface extérieure tout en conservant un cœur relativement mou. Ce traitement optimise les propriétés des matériaux en créant un gradient de dureté au sein d'un même composant afin de répondre à différentes exigences fonctionnelles. Il est généralement appliqué lors de l'une des dernières étapes du processus de fabrication.

Ce procédé vise à durcir la couche externe d'un matériau, notamment l'acier, pour une résistance efficace à l'usure. Parallèlement, la couche interne, plus ductile, assure la ténacité et la résistance aux chocs nécessaires. En durcissant sélectivement la surface uniquement, les composants bénéficient d'une résistance accrue à l'usure sans compromettre leur résistance et leur ténacité globales.

Le principe de base du durcissement superficiel consiste à modifier la microstructure et la composition de la surface du matériau par diverses méthodes telles que le traitement thermique, la modification chimique ou la déformation mécanique. Ces techniques impliquent souvent de chauffer la surface à une température spécifique, puis de la refroidir rapidement ou de la tremper pour transformer la couche externe en une phase plus dure et plus résistante à l'usure, tout en préservant le cœur plus tendre et plus ductile.

Méthodes courantes de durcissement de surface

Carburation

• Pack cémentationCe procédé consiste à placer la pièce dans un récipient en acier rempli d'un composé riche en carbone, tel que du charbon de bois ou du coke, ainsi que de carbonates servant d'activateurs. Le récipient est chauffé à des températures comprises entre 925 °C et 955 °C, ce qui favorise la libération de monoxyde de carbone, qui se diffuse à la surface de l'acier.
• Carburation du gaz:Dans cette méthode, la pièce est chauffée dans un four contenant un gaz riche en carbone, tel que le monoxyde de carbone, le dioxyde de carbone, le méthane ou le propane. La cémentation au gaz permet un meilleur contrôle du potentiel carbone et est souvent utilisée pour la production continue à grande échelle.
• Cémentation liquideCette technique nécessite d'immerger la pièce dans un bain de sels fondus riches en carbone, tels que le cyanure de sodium, le cyanure de baryum ou le cyanure de calcium, à des températures comprises entre 815 °C et 980 °C. La cémentation liquide introduit du carbone et de l'azote à la surface, augmentant ainsi la dureté, et est généralement plus rapide que les autres méthodes de cémentation. Cependant, elle est généralement utilisée pour les petites séries et implique des sels de cyanure hautement toxiques.
• Cémentation sous videCe procédé avancé utilise des hydrocarbures dans un four sous vide à des températures comprises entre 815 °C et 1090 75 °C, permettant un contrôle précis du processus de diffusion et des cycles de cémentation. La cémentation sous vide produit généralement une cémentation uniforme et de haute qualité, avec une épaisseur de couche cémentée comprise entre 1.5 μm et 50 mm et une dureté superficielle de 63 à XNUMX HRC.

Nitruration

• Nitruration gazeuse:Dans ce procédé, la surface métallique est durcie à des températures comprises entre 480 °C et 590 °C dans une atmosphère d'ammoniac. La durée du procédé détermine la profondeur de la couche et est particulièrement adaptée pour améliorer la résistance à la fatigue et la précision.
• Nitruration au bain de sel:Le matériau est immergé dans un bain liquide contenant un sel à base d'azote, généralement un sel de cyanure, qui introduit également du carbone (nitrocarburation), à des températures comprises entre 510°C et 570°C.
• Nitruration plasmaÉgalement appelée nitruration ionique, cette méthode utilise un champ électrique pour ioniser l'azote à des températures comprises entre 340 °C et 565 °C. La nitruration plasma permet un contrôle précis de la microstructure nitrurée et peut être réalisée avec ou sans formation d'une couche composite.

Carbonitruration

• Carbonitruration gazeuse:Ce procédé est réalisé dans un four sous atmosphère gazeuse d'ammoniac mélangé à des hydrocarbures, à des températures comprises entre 760 °C et 870 °C. La carbonitruration gazeuse est particulièrement adaptée à la production en série de petits composants.
• Carbonitruration liquideÉgalement appelée cyanuration, cette méthode utilise un bain de sel de cyanure pour introduire du carbone et de l'azote. Ce procédé rapide et efficace produit une coque fine et dure (0.254-0.762 mm), plus dure que celle obtenue par cémentation.
• Nitrocarburation ferritique:Réalisé à des températures plus basses (565-675°C) où la microstructure de l'acier reste ferritique, ce procédé minimise la déformation et produit une couche durcie très fine (2.5-25 microns) avec une dureté plus faible (40-60 HRC).

Durcissement par transformation

• Induction durcissanteCette méthode utilise l'induction électromagnétique pour chauffer rapidement la surface métallique à l'aide de bobines de cuivre spécialement conçues, alimentées en courant alternatif. La zone chauffée est ensuite immédiatement trempée avec de l'eau, de l'huile ou un liquide à base de polymère pour former de la martensite. La trempe par induction produit un durcissement localisé, permettant à des zones spécifiques de la pièce de durcir, tandis que le reste reste souple et résistant.
• Extinction de la flamme:Dans ce procédé, la surface métallique est chauffée à sa température d'austénitisation à l'aide d'une flamme directe (généralement issue d'un chalumeau oxyacétylénique ou oxypropane), puis trempée rapidement, généralement dans l'eau. La trempe à la flamme est une méthode relativement simple pour durcir les aciers à haute teneur en carbone (généralement 0.4 à 0.6 % de carbone), permettant d'obtenir des couches trempées de 0.1 à 6 mm d'épaisseur et de produire des coques jusqu'à 1 mm de profondeur.

Durcissement au laser

La trempe laser est un procédé de traitement thermique qui utilise un faisceau laser de forte puissance pour chauffer rapidement la couche superficielle d'un matériau métallique au-dessus de sa température critique. Cela forme de la martensite dure lors de la trempe ultérieure, qui se produit généralement par autotrempe grâce à la conduction thermique dans le matériau plus froid. Aucune fusion ne se produit pendant la trempe laser.

Durcissement par précipitation

Le durcissement par précipitation augmente la résistance d'un alliage en créant une solution solide sursaturée et en induisant la précipitation de fines particules dans la matrice. Ce procédé est généralement utilisé pour les alliages d'aluminium, de nickel et de titane.

Grenaillage

Le grenaillage est une méthode de durcissement superficiel mécanique qui consiste à bombarder une surface avec de petites particules dures pour induire des contraintes résiduelles de compression, améliorant ainsi la résistance à la fatigue. Ce procédé est couramment utilisé pour les ressorts, les engrenages et autres composants soumis à des charges cycliques.

Fonctionnement à froid

Le travail à froid est une autre méthode mécanique qui durcit la surface par déformation plastique à une température inférieure à la température de recristallisation du matériau. Ce procédé augmente la densité de dislocations et l'affinement du grain, améliorant ainsi la dureté et la résistance.

Matériaux couramment soumis au durcissement superficiel

• Acier à faible teneur en carbone (acier doux)Les aciers à faible teneur en carbone, contenant entre 0.05 % et 0.3 % de carbone, sont particulièrement adaptés aux procédés de durcissement superficiel comme la cémentation et la nitruration. Leur faible teneur en carbone permet au matériau de conserver un cœur souple et ductile pendant le durcissement de la surface.
• Acier au carbone moyenLes aciers dont la teneur en carbone est comprise entre 0.3 % et 0.6 % sont considérés comme des aciers à carbone moyen. Ces teneurs en carbone plus élevées permettent un durcissement par transformation de phase, ce qui en fait des candidats idéaux pour les traitements de trempe par induction et de trempe à la flamme.
• Alliage d'acierLes aciers alliés contiennent des éléments d'alliage supplémentaires, outre le carbone, tels que le chrome, le nickel ou le molybdène. Ces aciers peuvent être durcis superficiellement par diverses méthodes, notamment la cémentation, la nitruration, la trempe par induction et la trempe laser. Les éléments d'alliage spécifiques influencent la trempabilité de l'acier et sa réponse aux différentes techniques de durcissement superficiel.
• InoxLes aciers inoxydables austénitiques et martensitiques peuvent bénéficier d'une trempe superficielle. La nitruration, la carbonitruration et la trempe par induction sont des méthodes couramment employées pour augmenter la dureté superficielle et la résistance à l'usure des aciers inoxydables tout en préservant leurs propriétés anticorrosion.
• fonteDifférents types de fonte, comme la fonte grise et la fonte ductile, peuvent être durcis en surface pour améliorer leur résistance à l'usure et leur durabilité. La cémentation, la nitruration en bain de sel et la trempe par induction sont des options de traitement viables pour les composants en fonte.
• AluminiumBien que moins courant que le durcissement superficiel des matériaux ferreux, l'aluminium peut être soumis à des traitements de nitruration. De plus, certains alliages d'aluminium se prêtent au durcissement par induction, améliorant ainsi leurs propriétés de surface pour des applications spécifiques.
• TitaneLe titane et ses alliages peuvent subir un durcissement superficiel par nitruration, qui introduit de l'azote dans la couche superficielle. La trempe par induction et la trempe laser sont également des méthodes de durcissement superficiel applicables aux alliages de titane, selon les exigences spécifiques.
• Vanadium:Le vanadium, souvent utilisé comme élément d'alliage dans les aciers, peut être durci en surface par nitruration. La nitruration des aciers contenant du vanadium entraîne la formation de précipités durs de nitrure de vanadium, contribuant à une dureté de surface accrue et à une meilleure résistance à l'usure.