Ⅰ.Le concept de base du traitement thermique.
A.Le concept de base du traitement thermique.
Les éléments et fonctions de base detraitement thermique:
1. Chauffage
Le but est d'obtenir une structure austénitique uniforme et fine.
2.Maintien
L’objectif est de garantir que la pièce est bien chauffée et d’éviter la décarburation et l’oxydation.
3. Refroidissement
L'objectif est de transformer l'austénite en différentes microstructures.
Microstructures après traitement thermique
Au cours du processus de refroidissement après chauffage et maintien, l'austénite se transforme en différentes microstructures en fonction de la vitesse de refroidissement. Différentes microstructures présentent des propriétés différentes.
B.Le concept de base du traitement thermique.
Classification basée sur les méthodes de chauffage et de refroidissement, ainsi que sur la microstructure et les propriétés de l'acier
1. Traitement thermique conventionnel (traitement thermique global) : trempe, recuit, normalisation, trempe
2. Traitement thermique de surface : trempe de surface, trempe de surface de chauffage par induction, trempe de surface de chauffage à la flamme, trempe de surface de chauffage par contact électrique.
3. Traitement thermique chimique : cémentation, nitruration, carbonitruration.
4. Autres traitements thermiques : traitement thermique à atmosphère contrôlée, traitement thermique sous vide, traitement thermique par déformation.
C. Température critique des aciers
La température critique de transformation de l’acier constitue une base importante pour déterminer les processus de chauffage, de maintien et de refroidissement pendant le traitement thermique. Elle est déterminée par le diagramme de phase fer-carbone.
Conclusion clé :La température critique de transformation réelle de l'acier est toujours en retard par rapport à la température critique de transformation théorique. Cela signifie qu'une surchauffe est nécessaire pendant le chauffage et un sous-refroidissement est nécessaire pendant le refroidissement.
Ⅱ.Recuit et normalisation de l'acier
1. Définition du recuit
Le recuit consiste à chauffer l'acier à une température supérieure ou inférieure au point critique Ac₁ en le maintenant à cette température, puis à le refroidir lentement, généralement dans le four, pour obtenir une structure proche de l'équilibre.
2. Objectif du recuit
① Ajustez la dureté pour l'usinage : obtenez une dureté usinable dans la plage HB170 ~ 230.
②Soulage les contraintes résiduelles : empêche la déformation ou la fissuration lors des processus ultérieurs.
③Affiner la structure du grain : améliore la microstructure.
④Préparation pour le traitement thermique final : obtient une perlite granulaire (sphéroïdisée) pour une trempe et un revenu ultérieurs.
3. Recuit sphéroïdisant
Spécifications du processus : La température de chauffage est proche du point Ac₁.
Objectif : Sphéroïdiser la cémentite ou les carbures dans l'acier, ce qui donne lieu à une perlite granulaire (sphéroïdisée).
Gamme applicable : Utilisé pour les aciers avec des compositions eutectoïdes et hypereutectoïdes.
4. Recuit diffusant (recuit homogénéisant)
Spécifications du processus : La température de chauffage est légèrement inférieure à la ligne solvus sur le diagramme de phases.
Objectif : éliminer la ségrégation.
①Pour les faiblesacier au carboneavec une teneur en carbone inférieure à 0,25 %, la normalisation est préférée au recuit comme traitement thermique préparatoire.
②Pour l'acier à moyenne teneur en carbone avec une teneur en carbone comprise entre 0,25 % et 0,50 %, un recuit ou une normalisation peuvent être utilisés comme traitement thermique préparatoire.
③Pour l'acier à teneur en carbone moyenne à élevée avec une teneur en carbone comprise entre 0,50 % et 0,75 %, un recuit complet est recommandé.
④Pour les hautesacier au carboneavec une teneur en carbone supérieure à 0,75%, une normalisation est d'abord utilisée pour éliminer le réseau Fe₃C, suivie d'un recuit sphéroïdisant.
Ⅲ.Trempe et revenu de l'acier
A. Trempe
1. Définition de la trempe : La trempe consiste à chauffer l'acier à une certaine température au-dessus du point Ac₃ ou Ac₁, à le maintenir à cette température, puis à le refroidir à une vitesse supérieure à la vitesse de refroidissement critique pour former de la martensite.
2. Objectif de la trempe : L'objectif principal est d'obtenir de la martensite (ou parfois de la bainite inférieure) pour augmenter la dureté et la résistance à l'usure de l'acier. La trempe est l’un des procédés de traitement thermique les plus importants pour l’acier.
3. Détermination des températures de trempe pour différents types d'acier
Acier hypoeutectoïde : Ac₃ + 30°C à 50°C
Acier eutectoïde et hypereutectoïde : Ac₁ + 30°C à 50°C
Acier allié : 50°C à 100°C au-dessus de la température critique
4. Caractéristiques de refroidissement d'un milieu de trempe idéal :
Refroidissement lent avant la température du « nez » : pour réduire suffisamment le stress thermique.
Capacité de refroidissement élevée proche de la température du « nez » : pour éviter la formation de structures non martensitiques.
Refroidissement lent près du point M₅ : Pour minimiser la contrainte induite par la transformation martensitique.
5. Méthodes de trempe et leurs caractéristiques :
①Trempe simple : facile à utiliser et adapté aux petites pièces de forme simple. La microstructure résultante est la martensite (M).
②Double trempe : plus complexe et difficile à contrôler, utilisée pour les pièces en acier à haute teneur en carbone de forme complexe et les pièces en acier allié de plus grande taille. La microstructure résultante est la martensite (M).
③Trempe brisée : un processus plus complexe, utilisé pour les grandes pièces en acier allié de forme complexe. La microstructure résultante est la martensite (M).
④Trempe isotherme : utilisée pour les petites pièces de forme complexe avec des exigences élevées. La microstructure résultante est la bainite inférieure (B).
6. Facteurs affectant la trempabilité
Le niveau de trempabilité dépend de la stabilité de l'austénite surfondue dans l'acier. Plus la stabilité de l'austénite surfondue est élevée, meilleure est la trempabilité, et vice versa.
Facteurs influençant la stabilité de l’austénite surfondue :
Position de la courbe C : Si la courbe C se déplace vers la droite, la vitesse de refroidissement critique pour la trempe diminue, améliorant ainsi la trempabilité.
Conclusion clé :
Tout facteur qui déplace la courbe C vers la droite augmente la trempabilité de l'acier.
Facteur principal :
Composition chimique : À l'exception du cobalt (Co), tous les éléments d'alliage dissous dans l'austénite augmentent la trempabilité.
Plus la teneur en carbone est proche de la composition eutectoïde de l'acier au carbone, plus la courbe C se déplace vers la droite et plus la trempabilité est élevée.
7. Détermination et représentation de la trempabilité
①Test de trempabilité en fin de trempe : la trempabilité est mesurée à l'aide de la méthode de test de trempe finale.
②Méthode du diamètre de trempe critique : Le diamètre de trempe critique (D₀) représente le diamètre maximum de l'acier qui peut être complètement durci dans un milieu de trempe spécifique.
B. Trempe
1. Définition de la trempe
La trempe est un processus de traitement thermique dans lequel l'acier trempé est réchauffé à une température inférieure au point A₁, maintenu à cette température, puis refroidi à température ambiante.
2. Objectif du tempérage
Réduire ou éliminer les contraintes résiduelles : empêche la déformation ou la fissuration de la pièce.
Réduire ou éliminer l'austénite résiduelle : stabilise les dimensions de la pièce.
Élimine la fragilité de l'acier trempé : ajuste la microstructure et les propriétés pour répondre aux exigences de la pièce.
Remarque importante : L'acier doit être revenu rapidement après la trempe.
3. Processus de trempe
1. Faible trempe
Objectif : réduire les contraintes de trempe, améliorer la ténacité de la pièce et atteindre une dureté et une résistance à l'usure élevées.
Température : 150 °C ~ 250 °C.
Performance : Dureté : HRC 58 ~ 64. Haute dureté et résistance à l'usure.
Applications : outils, moules, roulements, pièces carburées et composants durcis en surface.
2. Haute trempe
Objectif : Obtenir une ténacité élevée ainsi qu’une résistance et une dureté suffisantes.
Température : 500 °C ~ 600 °C.
Performance : Dureté : HRC 25 ~ 35. Bonnes propriétés mécaniques globales.
Applications : Arbres, engrenages, bielles, etc.
Raffinage thermique
Définition : La trempe suivie d'un revenu à haute température est appelée affinage thermique, ou simplement revenu. L'acier traité par ce procédé présente d'excellentes performances globales et est largement utilisé.
Ⅳ.Traitement thermique de surface de l'acier
A. Trempe superficielle des aciers
1. Définition du durcissement superficiel
Le durcissement de surface est un processus de traitement thermique conçu pour renforcer la couche superficielle d'une pièce en la chauffant rapidement pour transformer la couche superficielle en austénite, puis en la refroidissant rapidement. Ce processus s'effectue sans altération de la composition chimique de l'acier ni de la structure centrale du matériau.
2. Matériaux utilisés pour le durcissement de surface et la structure de post-durcissement
Matériaux utilisés pour le durcissement de surface
Matériaux typiques : acier au carbone moyen et acier allié au carbone moyen.
Pré-traitement : Processus typique : Trempe. Si les propriétés principales ne sont pas critiques, la normalisation peut être utilisée à la place.
Structure post-durcissement
Structure de surface : La couche de surface forme généralement une structure durcie telle que la martensite ou la bainite, qui offre une dureté et une résistance à l'usure élevées.
Structure du noyau : Le noyau de l'acier conserve généralement sa structure d'origine, telle que la perlite ou l'état revenu, en fonction du processus de prétraitement et des propriétés du matériau de base. Cela garantit que le noyau conserve une bonne ténacité et résistance.
B. Caractéristiques du durcissement superficiel par induction
1. Température de chauffage élevée et augmentation rapide de la température : le durcissement de la surface par induction implique généralement des températures de chauffage élevées et des vitesses de chauffage rapides, permettant un chauffage rapide en peu de temps.
2. Structure de grains d'austénite fins dans la couche superficielle : pendant le processus de chauffage rapide et de trempe ultérieur, la couche superficielle forme de fins grains d'austénite. Après la trempe, la surface est principalement constituée de martensite fine, avec une dureté généralement 2 à 3 HRC supérieure à celle d'une trempe conventionnelle.
3. Bonne qualité de surface : en raison du temps de chauffage court, la surface de la pièce est moins sujette à l'oxydation et à la décarburation, et la déformation induite par la trempe est minimisée, garantissant une bonne qualité de surface.
4. Résistance élevée à la fatigue : la transformation de phase martensitique dans la couche superficielle génère une contrainte de compression, ce qui augmente la résistance à la fatigue de la pièce.
5. Efficacité de production élevée : le durcissement de surface par induction convient à la production de masse, offrant une efficacité opérationnelle élevée.
C.Classification du traitement thermique chimique
Cémentation, Cémentation, Cémentation, Chromisation, Silicuration, Silicuration, Silicuration, Carbonitruration, Borocarburation
D. Carburation au gaz
La cémentation au gaz est un processus dans lequel une pièce est placée dans un four de cémentation au gaz scellé et chauffée à une température qui transforme l'acier en austénite. Ensuite, un agent cémentant est versé goutte à goutte dans le four, ou une atmosphère cémentante est directement introduite, permettant aux atomes de carbone de se diffuser dans la couche superficielle de la pièce. Ce processus augmente la teneur en carbone (% wc) à la surface de la pièce.
√Agents carburants :
• Gaz riches en carbone : tels que le gaz de houille, le gaz de pétrole liquéfié (GPL), etc.
•Liquides organiques : tels que le kérosène, le méthanol, le benzène, etc.
√Paramètres du processus de carburation :
•Température de carburation : 920~950°C.
•Temps de carburation : Dépend de la profondeur souhaitée de la couche carburée et de la température de carburation.
E. Traitement thermique après cémentation
L'acier doit subir un traitement thermique après carburation.
Processus de traitement thermique après cémentation :
√Trempe + revenu à basse température
1. Trempe directe après pré-refroidissement + revenu à basse température : la pièce est pré-refroidie de la température de cémentation jusqu'à juste au-dessus de la température Ar₁ du noyau, puis immédiatement trempée, suivie d'un revenu à basse température à 160 ~ 180 °C.
2. Trempe unique après pré-refroidissement + revenu à basse température : après carburation, la pièce est lentement refroidie à température ambiante, puis réchauffée pour la trempe et le revenu à basse température.
3. Double trempe après pré-refroidissement + revenu à basse température : après carburation et refroidissement lent, la pièce subit deux étapes de chauffage et de trempe, suivies d'un revenu à basse température.
Ⅴ.Traitement thermique chimique des aciers
1.Définition du traitement thermique chimique
Le traitement thermique chimique est un processus de traitement thermique dans lequel une pièce en acier est placée dans un milieu actif spécifique, chauffée et maintenue à température, permettant aux atomes actifs du milieu de se diffuser dans la surface de la pièce. Cela modifie la composition chimique et la microstructure de la surface de la pièce, modifiant ainsi ses propriétés.
2. Processus de base du traitement thermique chimique
Décomposition : Lors du chauffage, le milieu actif se décompose, libérant des atomes actifs.
Absorption : Les atomes actifs sont adsorbés par la surface de l'acier et se dissolvent dans la solution solide de l'acier.
Diffusion : Les atomes actifs absorbés et dissous à la surface de l'acier migrent vers l'intérieur.
Types de durcissement de surface par induction
a. Chauffage par induction à haute fréquence
Fréquence actuelle : 250 ~ 300 kHz.
Profondeur de la couche durcie : 0,5 ~ 2,0 mm.
Applications : Engrenages à modules moyens et petits et arbres de petite à moyenne taille.
b. Chauffage par induction à moyenne fréquence
Fréquence actuelle : 2 500 ~ 8 000 kHz.
Profondeur de la couche durcie : 2 ~ 10 mm.
Applications : arbres plus grands et engrenages à modules grands à moyens.
c. Chauffage par induction à fréquence électrique
Fréquence actuelle : 50 Hz.
Profondeur de la couche durcie : 10 ~ 15 mm.
Applications : Pièces nécessitant une couche durcie très profonde.
3. Durcissement de la surface par induction
Principe de base du durcissement de surface par induction
Effet peau :
Lorsque le courant alternatif dans la bobine d'induction induit un courant à la surface de la pièce, la majorité du courant induit est concentrée près de la surface, alors que presque aucun courant ne traverse l'intérieur de la pièce. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet cutané.
Principe du durcissement de surface par induction :
Basé sur l'effet de peau, la surface de la pièce est rapidement chauffée jusqu'à la température austénitisante (montant à 800~1000°C en quelques secondes), tandis que l'intérieur de la pièce reste presque non chauffé. La pièce est ensuite refroidie par pulvérisation d'eau, ce qui permet d'obtenir un durcissement superficiel.
4. Fragilité de l'humeur
Trempe de la fragilité dans l'acier trempé
La fragilité due au revenu fait référence au phénomène dans lequel la résistance aux chocs de l'acier trempé diminue considérablement lorsqu'il est revenu à certaines températures.
Premier type de fragilité de trempe
Plage de température : 250°C à 350°C.
Caractéristiques : Si l'acier trempé est revenu dans cette plage de température, il est très probable qu'il développe ce type de fragilité au revenu, qui ne peut être éliminée.
Solution : Évitez de tremper l'acier trempé dans cette plage de température.
Le premier type de fragilité par revenu est également connu sous le nom de fragilité par revenu à basse température ou fragilité par revenu irréversible.
Ⅵ.Tempérage
1.La trempe est un processus de traitement thermique final qui suit la trempe.
Pourquoi les aciers trempés doivent-ils être trempés ?
Microstructure après trempe : Après trempe, la microstructure de l'acier est généralement constituée de martensite et d'austénite résiduelle. Les deux sont des phases métastables et se transformeront sous certaines conditions.
Propriétés de la martensite : La martensite se caractérise par une dureté élevée mais également une fragilité élevée (en particulier dans la martensite aiguilletée à haute teneur en carbone), qui ne répond pas aux exigences de performances pour de nombreuses applications.
Caractéristiques de la transformation martensitique : La transformation en martensite se produit très rapidement. Après trempe, la pièce présente des contraintes internes résiduelles pouvant conduire à des déformations ou des fissures.
Conclusion : La pièce à usiner ne peut pas être utilisée directement après la trempe ! La trempe est nécessaire pour réduire les contraintes internes et améliorer la ténacité de la pièce, la rendant ainsi utilisable.
2.Différence entre la trempabilité et la capacité de durcissement :
Trempabilité :
La trempabilité fait référence à la capacité de l'acier à atteindre une certaine profondeur de durcissement (la profondeur de la couche durcie) après trempe. Cela dépend de la composition et de la structure de l'acier, notamment de ses éléments d'alliage et du type d'acier. La trempabilité est une mesure de la capacité de l'acier à durcir sur toute son épaisseur pendant le processus de trempe.
Dureté (capacité de durcissement) :
La dureté, ou capacité de durcissement, fait référence à la dureté maximale qui peut être atteinte dans l'acier après trempe. Elle est largement influencée par la teneur en carbone de l'acier. Une teneur en carbone plus élevée conduit généralement à une dureté potentielle plus élevée, mais celle-ci peut être limitée par les éléments d'alliage de l'acier et l'efficacité du processus de trempe.
3. Trempabilité de l'acier
√Concept de trempabilité
La trempabilité fait référence à la capacité de l'acier à atteindre une certaine profondeur de durcissement martensitique après trempe à partir de la température d'austénitisation. En termes plus simples, il s’agit de la capacité de l’acier à former de la martensite lors de la trempe.
Mesure de trempabilité
L'ampleur de la trempabilité est indiquée par la profondeur de la couche durcie obtenue dans des conditions spécifiées après trempe.
Profondeur de la couche durcie : il s'agit de la profondeur depuis la surface de la pièce jusqu'à la région où la structure est à moitié martensite.
Médias de trempe courants :
•Eau
Caractéristiques : Économique avec une forte capacité de refroidissement, mais présente une vitesse de refroidissement élevée proche du point d’ébullition, ce qui peut conduire à un refroidissement excessif.
Application : Généralement utilisé pour les aciers au carbone.
Eau salée : solution de sel ou d'alcali dans l'eau, qui a une capacité de refroidissement plus élevée à haute température que l'eau, ce qui la rend adaptée aux aciers au carbone.
•Huile
Caractéristiques : Fournit un taux de refroidissement plus lent à basse température (près du point d'ébullition), ce qui réduit efficacement la tendance à la déformation et à la fissuration, mais a une capacité de refroidissement plus faible à haute température.
Application : Convient aux aciers alliés.
Types : Comprend l’huile de trempe, l’huile de machine et le carburant diesel.
Temps de chauffage
Le temps de chauffage comprend à la fois la vitesse de chauffage (temps nécessaire pour atteindre la température souhaitée) et le temps de maintien (temps maintenu à la température cible).
Principes de détermination du temps de chauffage : Assurer une répartition uniforme de la température dans toute la pièce, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur.
S'assurer d'une austénitisation complète et que l'austénite formée soit uniforme et fine.
Base de détermination du temps de chauffage : généralement estimé à l'aide de formules empiriques ou déterminé par expérimentation.
Médias de trempe
Deux aspects clés :
a.Taux de refroidissement : Un taux de refroidissement plus élevé favorise la formation de martensite.
b.Contrainte résiduelle : Une vitesse de refroidissement plus élevée augmente la contrainte résiduelle, ce qui peut entraîner une plus grande tendance à la déformation et à la fissuration de la pièce.
Ⅶ.Normalisation
1. Définition de la normalisation
La normalisation est un processus de traitement thermique dans lequel l'acier est chauffé à une température de 30 °C à 50 °C au-dessus de la température Ac3, maintenu à cette température, puis refroidi à l'air pour obtenir une microstructure proche de l'état d'équilibre. Par rapport au recuit, la normalisation a une vitesse de refroidissement plus rapide, ce qui entraîne une structure de perlite (P) plus fine et une résistance et une dureté plus élevées.
2. Objectif de la normalisation
Le but de la normalisation est similaire à celui du recuit.
3. Applications de la normalisation
•Élimine la cémentite secondaire en réseau.
• Servir de traitement thermique final pour les pièces ayant des exigences moindres.
•Agir comme traitement thermique préparatoire pour l'acier de construction à faible et moyenne teneur en carbone pour améliorer l'usinabilité.
4.Types de recuit
Premier type de recuit :
Objectif et fonction : L'objectif n'est pas d'induire une transformation de phase mais de faire passer l'acier d'un état déséquilibré à un état équilibré.
Types :
•Recuit de diffusion : vise à homogénéiser la composition en éliminant la ségrégation.
•Recuit de recristallisation : restaure la ductilité en éliminant les effets de l'écrouissage.
•Recuit anti-stress : réduit les contraintes internes sans altérer la microstructure.
Deuxième type de recuit :
Objectif et fonction : Vise à modifier la microstructure et les propriétés, pour obtenir une microstructure dominée par la perlite. Ce type garantit également que la distribution et la morphologie de la perlite, de la ferrite et des carbures répondent à des exigences spécifiques.
Types :
•Recuit complet : chauffe l'acier au-dessus de la température Ac3, puis le refroidit lentement pour produire une structure perlite uniforme.
•Recuit incomplet : Chauffe l'acier entre les températures Ac1 et Ac3 pour transformer partiellement la structure.
•Recuit isotherme : chauffe l'acier au-dessus de Ac3, suivi d'un refroidissement rapide à une température isotherme et d'un maintien pour obtenir la structure souhaitée.
•Recuit sphéroïdal : produit une structure de carbure sphéroïdale, améliorant l'usinabilité et la ténacité.
Ⅷ.1.Définition du traitement thermique
Le traitement thermique fait référence à un processus dans lequel le métal est chauffé, maintenu à une température spécifique, puis refroidi à l'état solide pour modifier sa structure interne et sa microstructure, obtenant ainsi les propriétés souhaitées.
2. Caractéristiques du traitement thermique
Le traitement thermique ne modifie pas la forme de la pièce ; au lieu de cela, il modifie la structure interne et la microstructure de l'acier, ce qui modifie à son tour les propriétés de l'acier.
3.Objectif du traitement thermique
Le but du traitement thermique est d'améliorer les propriétés mécaniques ou de traitement de l'acier (ou des pièces), d'utiliser pleinement le potentiel de l'acier, d'améliorer la qualité de la pièce et de prolonger sa durée de vie.
4.Conclusion clé
La possibilité d'améliorer les propriétés d'un matériau grâce à un traitement thermique dépend essentiellement de l'existence ou non de changements dans sa microstructure et sa structure au cours du processus de chauffage et de refroidissement.
Heure de publication : 19 août 2024