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Traitements superficiels des aciers

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Rafael NadalA étudié à : usthb

Traitements superficiels des aciers

Traitements superficiels des aciers

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INTRODUCTION
UN TRAITEMENT THERMIQUE ?
Pour quoi faire ?
Les opérations de traitement thermique sont destinées à modifier les caractéristiques des
matériaux métalliques. Elles agissent principalement sur :
• la dureté
• la résistance à la rupture
• la résilience ou la ductilité
Elles ont aussi un effet sur :
• les propriétés tribologiques (frottement)
• la résistance à la corrosion
• les propriétés magnétiques
• la stabilité dimensionnelle
Les traitements thermiques se répartissent en deux grandes catégories :
• les traitements de durcissement
• les traitements d'adoucissement
Les traitements thermiques se classent également selon qu'ils ont :
• pour effet de modifier en profondeur les propriétés du matériaux dans toute la
section ou toute la masse du produit traité : traitement dans la masse;
• pour effet de modifier superficiellement les propriétés du matériau sur une
profondeur limitée : traitements superficiels ou traitements thermiques de surface.
Durcir ?
Pourquoi ?
• pour augmenter la dureté
• pour augmenter la résistance aux sollicitations mécaniques (fatigue, frottement,
usure).
Comment durcir ?
• les traitements thermiques dans la masse s'appliquent aux matériaux subissant des
transformations par variation de la température (bases fer, aluminium, cuivre, titane);
• les traitements thermiques superficiels s'appliquent essentiellement aux aciers et aux
fontes;
• les traitements mécaniques s'appliquent à tous les matériaux métalliques d'autant
plus facilement que la dureté initiale est faible.
LE TRAITEMENT SUPERFICIELS DES ACIERS
ou
TRAITEMENTS DE SURFACE PAR VOIE THERMIQUES
I PROBLEME
1.1 Problématique :
Par évidence, la surface est la frontière des sollicitations, elle est la région qui reçoit le plus
d’agressions et de sollicitations ; c’est pourquoi la quasi-totalité des avaries des pièces mécaniques
s’amorcent superficiellement.
Il est donc très important de veiller aux caractéristiques superficielles.
1.2 Modes de détérioration des pièces mécaniques
• Toutes les formes de corrosion sont d'abord superficielles, d'où les améliorations
apportées par une protection de la surface.
• Toutes les initiations des rupture par fissuration progressive ou fissuration par
fatigue, commencent près de la surface
• Ces détériorations sont dues aux défauts superficiels d'ordre géométriques (gorge) ou
d'ordre métallurgique (oxydation), aux états de surfaces.
1.3 Solutions d'amélioration du comportement d'une surface
1- revêtement ou dépôt (revêtement dur, protecteur, antigrippant, isolant)
2- durcissement superficiel
3- mise en précontrainte superficielle
4- conversion chimique superficielle
II TREMPE SUPERFICIELLE
2.1 Procédé
Le durcissement superficiel par trempe
après chauffage superficiel permet
d'obtenir la transformation martensitique de
trempe sur la zone ainsi transformée après
refroidissement rapide.
Le chauffage par induction
électromagnétique est une technique de chauffage de forte puissance. C'est le moyen le plus
répandu pour obtenir un échauffement de quelques dixièmes à quelques millimètres de profondeur.
2.2 Choix des aciers
Tous les aciers sont susceptibles d'être chauffés superficiellement. Cependant, un certain
nombre de critères déterminent le choix des nuances à employer :
• la teneur en carbone (limitée à 0,55% en général pour éviter les tapures de trempe)
qui determine la dureté.
• Les éléments d'alliages interviennent peu, les nuances non alliés convienntent.
• La profondeur de la couche durcie.
2.3 Trempe ou trempe superficielle ?
critères de choix :
• épaisseurs traitées
• cout énergétique
III TRAITEMENTS THERMOCHIMIQUES DE DIFFUSION
3.1 Propriétés
Il est possible de modifier la composition chimique superficielle d'un matériau par diffusion
thermique d'un ou plusieurs éléments extérieurs dans le but d'obtenir des propriétés nouvelles :
• dureté plus élevée
• augmentation de la résistance à
la fatigue par élévation des
caractéristiques mécaniques
superficielles et par mise en
précontrainte
• amélioration de la résistance au
grippage
• amélioration de la résistance à la
corrosion
3.2 Cémentation gazeuse
a) Principe :
La cémentation est un traitement thermochimique
d’enrichissement superficiel par diffusion du carbone,
permettant d’atteindre sur des aciers à bas carbone une
teneur en carbone superficiel de l’ordre de 0,6 à 0,9%.
Elle s’effectue en milieu gazeux riche en monoxyde
de carbone CO, à des températures comprises entre 925 et
975°C.
Elle est suivie d’une trempe pour obtenir un
durcissement superficiel de la couche ainsi enrichie.
b) Critère de choix :
Le choix d’un tel procédé se justifie par le fait que les sollicitations des pièces mécaniques
sont pour la plupart superficielles :
• usure
• fatigue de contact
• matage
Et ne justifient pas un durcissement élevé dans la masse, dont le défaut est d’affaiblir la
résistance aux chocs.
Les profondeurs de diffusion du carbone sont limitées pratiquement à 4mm ; les profondeurs
les plus courantes varient entre 0,6 et 2,5mm.
3.3 Carbonitruration gazeuse
a) Principe :
La carbonitruration est une traitement thermochimique de diffusion de carbone et d’azote
(ammoniac) destiné à augmenter la dureté superficielle après trempe des aciers (et des fontes).
Les profondeurs obtenues industriellement varient entre 0,05 et 0,6mm. Les duretés atteintes
sont supérieure à 58 HRC.
L’avantage de la carbonitruration par rapport à la cémentation est d’opérer à température
plus basse (780 à 880°C) et avec des temps plus courts grâce à la présence d’azote.
b) Effet de l'azote :
L’azote abaisse la température de transformation allotropique du fer.
Il améliore la diffusion du carbone.
Il abaisse le point de début de transformation martensitique Ms et de ce fait augmente la
trempabilité de la couche cémentée.
Il élève la dureté par formation de carbonitrures.
Tous ces facteurs contribuent à réduire les déformations.
3.4 Cémenter ou carbonitrurer ?
Critères :
• Profondeur durcie <0,6mm : carbonitruration ou cémentation
• Profondeur durcie >0,6mm : cémentation
3.5 Nitruration
a) Principe :
C’est un traitement thermochimique superficiel d’enrichissement en azote et
azote+carbone (nitrocarburation), des aciers et des fontes sur des pièces
généralement traitées par trempe et revenu.
Ce traitement se distingue de la cémentation et de la carbonitruration par la
température à laquelle il est réalisé (environ 550°C) et par le mécanisme de
durcissement (pas de trempe, durcissement en phase ferritique)
b) Couche de combinaison ou couche blanche :
En surface, le milieu nitrurant offrant une forte concentration en azote, il se forme une
combinaison chimique fer-azote.
Cette couche correspond à une transformation chimique complète de la surface métallique
équivalente à une conversion chimique.
Cette couche est comprise entre 5 et 20 microns. Elle présente des propriétés tribologiques
(frottement faible) intéressantes.
La tenue à la corrosion est relativement bonne grâce à la passivation des surfaces par la
présence des nitrures de fer.
c) Zone de diffusion :
Au-delà de la couche blanche, l’azote diffuse dans la structure ferritique de l’alliage fer-
carbone et se combine aux éléments d’addition pour former des nitrures et permettre le
durcissement de la pièce.
La dureté entre 750 et 1100 HV pour les aciers couramment utilisés.
Les profondeurs les plus courantes sont comprises entre 0,1 et 0,5mm.
d) procédés de nitruration
• nitruration gazeuse
• nitruration en bains de sels
• nitruration ionique
e) pourquoi nitrurer ?
Ce traitement est le plus universel et celui présentant le moins de risques.
• Durcir superficiellement toutes les nuances d’acier même inoxydables et fontes sur pièce
finie avec très peu de variations dimensionnelles (10 à 20 µm de gonflement).
• Améliorer le comportement aux frottements.
• Augmenter la résistance à la fatigue et à l’usure
• Améliorer la résistance au grippage
3.6 Traitements électrolytiques
Dépôt anodique : la pièce est liée à l’anode et la
formation du composé en surface se développe à
la fois vers l’intérieur et vers l’extérieur de la
surface traitée (épaisseur 0,01 à 0,1mm)
Exemple : anodisation dure d’alumine sur de
l’aluminium
Dépôt cathodique (électrolyse cathodique) : la pièce est liée à la cathode et
le dépôt de matière (métal d’apport) se développe uniquement de la surface
vers l’extérieur (épaisseur 0,5mm).
Exemple : chromage dur sur acier, aluminium, cuivre…
3.7 Métallisation
a) Principe :
Elle consiste en un dépôt de métal fondu (zinc, étain, aluminium, plomb…) ou de céramiques sur
la surface à traiter.
Le dépôt peut être effectué en phase gazeuse, par condensation ou vaporisation et ionisation de très
petites particules dans un milieu gazeux rarefié.
b) Procédés :
• Le PVD (Physical Vapor Deposition) : dépôt par condensation de la
vapeur métallique à la surface de la pièce à des températures de 100 à
550 °C.
• Le CVD (Chemical Vapor Deposition) : dépôt par réaction chimique
de la vapeur métallique avec la surface de la pièce à revêtir à des
températures de 900 à 1 100 °C.
• Le PACVD (Plasma Assisted CVD) : CVD assisté par plasma pour
dissocier le gaz actif à plus basse température, de l'ordre de 500 °C.
nitruration ionique
schéma de principe de
la pulvérisation
cathodique réactive
3.8 Revêtement organiques
Peinture et vernis :
Couramment utilisés, leur rôle est essentiellement protecteur (corrosion, humidité, agents
chimiques…), décoratif et lié à l’assainissement (anti-salissures, moisissures…)
3.9 Traitements de surface dans le processus de réalisation d’une pièce mécanique
Le traitement de la pièce peut se faire à différents stades de la fabrication.
Les épaisseurs traitées sont faibles, le traitement se fait après usinage. Une étape de
rectification peut être nécessaire pour garantir la c dimension.

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Traitements superficiels des aciers

  • 1. INTRODUCTION UN TRAITEMENT THERMIQUE ? Pour quoi faire ? Les opérations de traitement thermique sont destinées à modifier les caractéristiques des matériaux métalliques. Elles agissent principalement sur : • la dureté • la résistance à la rupture • la résilience ou la ductilité Elles ont aussi un effet sur : • les propriétés tribologiques (frottement) • la résistance à la corrosion • les propriétés magnétiques • la stabilité dimensionnelle Les traitements thermiques se répartissent en deux grandes catégories : • les traitements de durcissement • les traitements d'adoucissement Les traitements thermiques se classent également selon qu'ils ont : • pour effet de modifier en profondeur les propriétés du matériaux dans toute la section ou toute la masse du produit traité : traitement dans la masse; • pour effet de modifier superficiellement les propriétés du matériau sur une profondeur limitée : traitements superficiels ou traitements thermiques de surface. Durcir ? Pourquoi ? • pour augmenter la dureté • pour augmenter la résistance aux sollicitations mécaniques (fatigue, frottement, usure). Comment durcir ? • les traitements thermiques dans la masse s'appliquent aux matériaux subissant des transformations par variation de la température (bases fer, aluminium, cuivre, titane); • les traitements thermiques superficiels s'appliquent essentiellement aux aciers et aux fontes; • les traitements mécaniques s'appliquent à tous les matériaux métalliques d'autant plus facilement que la dureté initiale est faible.
  • 2. LE TRAITEMENT SUPERFICIELS DES ACIERS ou TRAITEMENTS DE SURFACE PAR VOIE THERMIQUES I PROBLEME 1.1 Problématique : Par évidence, la surface est la frontière des sollicitations, elle est la région qui reçoit le plus d’agressions et de sollicitations ; c’est pourquoi la quasi-totalité des avaries des pièces mécaniques s’amorcent superficiellement. Il est donc très important de veiller aux caractéristiques superficielles. 1.2 Modes de détérioration des pièces mécaniques • Toutes les formes de corrosion sont d'abord superficielles, d'où les améliorations apportées par une protection de la surface. • Toutes les initiations des rupture par fissuration progressive ou fissuration par fatigue, commencent près de la surface • Ces détériorations sont dues aux défauts superficiels d'ordre géométriques (gorge) ou d'ordre métallurgique (oxydation), aux états de surfaces. 1.3 Solutions d'amélioration du comportement d'une surface 1- revêtement ou dépôt (revêtement dur, protecteur, antigrippant, isolant) 2- durcissement superficiel 3- mise en précontrainte superficielle 4- conversion chimique superficielle II TREMPE SUPERFICIELLE 2.1 Procédé Le durcissement superficiel par trempe après chauffage superficiel permet d'obtenir la transformation martensitique de trempe sur la zone ainsi transformée après refroidissement rapide. Le chauffage par induction électromagnétique est une technique de chauffage de forte puissance. C'est le moyen le plus répandu pour obtenir un échauffement de quelques dixièmes à quelques millimètres de profondeur.
  • 3. 2.2 Choix des aciers Tous les aciers sont susceptibles d'être chauffés superficiellement. Cependant, un certain nombre de critères déterminent le choix des nuances à employer : • la teneur en carbone (limitée à 0,55% en général pour éviter les tapures de trempe) qui determine la dureté. • Les éléments d'alliages interviennent peu, les nuances non alliés convienntent. • La profondeur de la couche durcie. 2.3 Trempe ou trempe superficielle ? critères de choix : • épaisseurs traitées • cout énergétique III TRAITEMENTS THERMOCHIMIQUES DE DIFFUSION 3.1 Propriétés Il est possible de modifier la composition chimique superficielle d'un matériau par diffusion thermique d'un ou plusieurs éléments extérieurs dans le but d'obtenir des propriétés nouvelles : • dureté plus élevée • augmentation de la résistance à la fatigue par élévation des caractéristiques mécaniques superficielles et par mise en précontrainte • amélioration de la résistance au grippage • amélioration de la résistance à la corrosion 3.2 Cémentation gazeuse a) Principe : La cémentation est un traitement thermochimique d’enrichissement superficiel par diffusion du carbone, permettant d’atteindre sur des aciers à bas carbone une teneur en carbone superficiel de l’ordre de 0,6 à 0,9%. Elle s’effectue en milieu gazeux riche en monoxyde de carbone CO, à des températures comprises entre 925 et 975°C. Elle est suivie d’une trempe pour obtenir un durcissement superficiel de la couche ainsi enrichie. b) Critère de choix : Le choix d’un tel procédé se justifie par le fait que les sollicitations des pièces mécaniques sont pour la plupart superficielles : • usure • fatigue de contact • matage
  • 4. Et ne justifient pas un durcissement élevé dans la masse, dont le défaut est d’affaiblir la résistance aux chocs. Les profondeurs de diffusion du carbone sont limitées pratiquement à 4mm ; les profondeurs les plus courantes varient entre 0,6 et 2,5mm. 3.3 Carbonitruration gazeuse a) Principe : La carbonitruration est une traitement thermochimique de diffusion de carbone et d’azote (ammoniac) destiné à augmenter la dureté superficielle après trempe des aciers (et des fontes). Les profondeurs obtenues industriellement varient entre 0,05 et 0,6mm. Les duretés atteintes sont supérieure à 58 HRC. L’avantage de la carbonitruration par rapport à la cémentation est d’opérer à température plus basse (780 à 880°C) et avec des temps plus courts grâce à la présence d’azote. b) Effet de l'azote : L’azote abaisse la température de transformation allotropique du fer. Il améliore la diffusion du carbone. Il abaisse le point de début de transformation martensitique Ms et de ce fait augmente la trempabilité de la couche cémentée. Il élève la dureté par formation de carbonitrures. Tous ces facteurs contribuent à réduire les déformations. 3.4 Cémenter ou carbonitrurer ? Critères : • Profondeur durcie <0,6mm : carbonitruration ou cémentation • Profondeur durcie >0,6mm : cémentation 3.5 Nitruration a) Principe : C’est un traitement thermochimique superficiel d’enrichissement en azote et azote+carbone (nitrocarburation), des aciers et des fontes sur des pièces généralement traitées par trempe et revenu. Ce traitement se distingue de la cémentation et de la carbonitruration par la température à laquelle il est réalisé (environ 550°C) et par le mécanisme de durcissement (pas de trempe, durcissement en phase ferritique) b) Couche de combinaison ou couche blanche : En surface, le milieu nitrurant offrant une forte concentration en azote, il se forme une combinaison chimique fer-azote. Cette couche correspond à une transformation chimique complète de la surface métallique équivalente à une conversion chimique. Cette couche est comprise entre 5 et 20 microns. Elle présente des propriétés tribologiques (frottement faible) intéressantes. La tenue à la corrosion est relativement bonne grâce à la passivation des surfaces par la présence des nitrures de fer.
  • 5. c) Zone de diffusion : Au-delà de la couche blanche, l’azote diffuse dans la structure ferritique de l’alliage fer- carbone et se combine aux éléments d’addition pour former des nitrures et permettre le durcissement de la pièce. La dureté entre 750 et 1100 HV pour les aciers couramment utilisés. Les profondeurs les plus courantes sont comprises entre 0,1 et 0,5mm. d) procédés de nitruration • nitruration gazeuse • nitruration en bains de sels • nitruration ionique e) pourquoi nitrurer ? Ce traitement est le plus universel et celui présentant le moins de risques. • Durcir superficiellement toutes les nuances d’acier même inoxydables et fontes sur pièce finie avec très peu de variations dimensionnelles (10 à 20 µm de gonflement). • Améliorer le comportement aux frottements. • Augmenter la résistance à la fatigue et à l’usure • Améliorer la résistance au grippage 3.6 Traitements électrolytiques Dépôt anodique : la pièce est liée à l’anode et la formation du composé en surface se développe à la fois vers l’intérieur et vers l’extérieur de la surface traitée (épaisseur 0,01 à 0,1mm) Exemple : anodisation dure d’alumine sur de l’aluminium Dépôt cathodique (électrolyse cathodique) : la pièce est liée à la cathode et le dépôt de matière (métal d’apport) se développe uniquement de la surface vers l’extérieur (épaisseur 0,5mm). Exemple : chromage dur sur acier, aluminium, cuivre… 3.7 Métallisation a) Principe : Elle consiste en un dépôt de métal fondu (zinc, étain, aluminium, plomb…) ou de céramiques sur la surface à traiter. Le dépôt peut être effectué en phase gazeuse, par condensation ou vaporisation et ionisation de très petites particules dans un milieu gazeux rarefié. b) Procédés : • Le PVD (Physical Vapor Deposition) : dépôt par condensation de la vapeur métallique à la surface de la pièce à des températures de 100 à 550 °C. • Le CVD (Chemical Vapor Deposition) : dépôt par réaction chimique de la vapeur métallique avec la surface de la pièce à revêtir à des températures de 900 à 1 100 °C. • Le PACVD (Plasma Assisted CVD) : CVD assisté par plasma pour dissocier le gaz actif à plus basse température, de l'ordre de 500 °C. nitruration ionique schéma de principe de la pulvérisation cathodique réactive
  • 6. 3.8 Revêtement organiques Peinture et vernis : Couramment utilisés, leur rôle est essentiellement protecteur (corrosion, humidité, agents chimiques…), décoratif et lié à l’assainissement (anti-salissures, moisissures…) 3.9 Traitements de surface dans le processus de réalisation d’une pièce mécanique Le traitement de la pièce peut se faire à différents stades de la fabrication. Les épaisseurs traitées sont faibles, le traitement se fait après usinage. Une étape de rectification peut être nécessaire pour garantir la c dimension.