4 types de traitement thermique de l'acier

Le traitement thermique de l'acier est un procédé qui consiste à chauffer, maintenir et refroidir l'acier à l'état solide afin de modifier sa microstructure interne et d'obtenir les propriétés souhaitées. Ce traitement permet d'éliminer les défauts des ébauches de composants, telles que les pièces moulées et forgées, d'améliorer les propriétés de transformation de l'acier (usinabilité, formabilité) et d'optimiser ses propriétés mécaniques. En exploitant pleinement le potentiel de l'acier, le traitement thermique contribue à réduire les coûts de production, à améliorer la performance des composants et à prolonger leur durée de vie.

I. Trempe

Trempe L'austénitisation de l'acier est un procédé de traitement thermique où l'acier est chauffé à une température supérieure à la température critique Ac3 pour l'acier hypoeutectoïde ou Ac1 pour l'acier hypereutectoïde, maintenu pendant une période pour obtenir une austénitisation complète ou partielle, puis refroidi rapidement à une vitesse supérieure à la vitesse de refroidissement critique jusqu'à une température inférieure à Ms ou maintenu de manière isotherme près de Ms pour favoriser la transformation martensitique.

Le terme trempe est également couramment utilisé pour désigner le traitement de mise en solution ou tout traitement thermique impliquant un refroidissement rapide d'autres matériaux, tels que alliages d'aluminium, les alliages de cuivre et les alliages de titane.

Objectif de l'extinction

• Améliorer les propriétés mécaniques des produits ou pièces métalliques semi-finis. Par exemple, accroître la dureté et la résistance à l'usure des outils et des roulements, améliorer la limite d'élasticité des ressorts et optimiser les propriétés mécaniques globales des composants d'arbres.
• Améliorer les propriétés matérielles ou chimiques de certains aciers spéciaux. Par exemple, augmenter la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable ou en renforçant le magnétisme permanent de l'acier magnétique.

Lors de la trempe, outre le choix d'un milieu de trempe approprié, il est essentiel d'utiliser la méthode de trempe adéquate. Les méthodes de trempe courantes comprennent : la trempe en un seul bain, la trempe en deux bains, la trempe par fusion, l'austénitisation isotherme et la trempe localisée.

Caractéristiques de l'acier après trempe

• La formation de microstructures instables ou hors d'équilibre telles que la martensite, la bainite et l'austénite résiduelle.
• La présence de fortes contraintes internes ou de contraintes résiduelles.
• Les propriétés mécaniques obtenues sont généralement insuffisantes pour l'utilisation. Par conséquent, les pièces en acier nécessitent généralement un revenu après trempe.

II. Trempe

Trempe La trempe est un traitement thermique qui consiste à chauffer une pièce métallique trempée à une température spécifique, à la maintenir pendant une durée déterminée, puis à la refroidir à une vitesse contrôlée. Le revenu est effectué immédiatement après la trempe et constitue généralement la dernière étape du traitement thermique. L'ensemble des opérations de trempe et de revenu est souvent appelé traitement final ou procédé de trempe-revenu.

Objectifs du trempage

• Réduisez les contraintes internes et la fragilité. Les pièces trempées présentent des contraintes et une fragilité élevées ; sans revenu approprié, elles sont sujettes à la déformation, voire à la fissuration.
• Ajuster les propriétés mécaniques de la pièce. Après trempe, une pièce présente une dureté et une fragilité élevées. Le revenu permet d'ajuster la combinaison de dureté, de résistance, de ductilité (plasticité) et de ténacité afin de répondre aux diverses exigences de performance des différents composants.
• Stabiliser les dimensions de la pièce. Le revenu favorise la stabilisation de la microstructure, garantissant ainsi l'absence de variations dimensionnelles lors des utilisations ultérieures.
• Améliorer l'usinabilité de certains aciers alliés.
• Améliorer la stabilité microstructurale, en prévenant les changements microstructuraux pendant la durée de vie de la pièce et en maintenant ainsi une géométrie et des performances stables.
• Éliminer les contraintes internes, ce qui améliore les performances en service et stabilise la géométrie de la pièce.
• Ajuster les propriétés mécaniques de l'acier pour répondre aux exigences de service.

Ces effets s'expliquent par l'augmentation de la mobilité atomique à haute température, qui permet une diffusion plus rapide des atomes de fer, de carbone et d'autres éléments d'alliage. Ceci facilite le réarrangement et la recombinaison des atomes, transformant progressivement la microstructure instable, hors d'équilibre, en une microstructure stable, à l'équilibre. La disparition des contraintes internes est également liée à la diminution de la résistance du métal à haute température.

En général, le revenu de l'acier entraîne une diminution de sa dureté et de sa résistance, ainsi qu'une augmentation de sa ductilité. Plus la température de revenu est élevée, plus la modification de ces propriétés mécaniques est importante. Cependant, certains aciers fortement alliés, lorsqu'ils sont revenus dans une certaine plage de températures, présentent une précipitation de composés métalliques fins, ce qui provoque une augmentation de leur résistance et de leur dureté. Ce phénomène est connu sous le nom de durcissement secondaire.

Exigences de trempe : Les pièces destinées à différentes applications doivent être trempées à des températures différentes afin de satisfaire à leurs exigences de service.

• Revenu à basse température (150-250 °C) : il est utilisé pour les outils, les roulements, les pièces cémentées et trempées, ainsi que les pièces à durcissement superficiel. Le revenu à basse température entraîne une faible variation de dureté, une réduction des contraintes internes et une légère augmentation de la ténacité.
• Revenu à température moyenne (350-500°C) : Il est utilisé pour les ressorts afin d'obtenir une élasticité élevée et la ténacité nécessaire.
• Revenu à haute température (500-600°C) : Il est appliqué aux pièces en acier de construction à teneur moyenne en carbone pour obtenir une combinaison favorable de résistance et de ténacité.

Lorsqu'un acier est revenu à environ 300 °C, sa fragilité augmente souvent. Ce phénomène est appelé fragilité de revenu de type I. Il convient généralement d'éviter les revenus dans cette plage de températures. Certains aciers de construction moyennement alliés au carbone sont également susceptibles de devenir fragiles s'ils sont refroidis lentement à température ambiante après un revenu à haute température. On parle alors de fragilité de revenu de type I.

L'ajout de molybdène à l'acier, ou un refroidissement rapide dans l'huile ou l'eau lors du revenu, peut prévenir la fragilité de revenu de type II. Le réchauffage de l'acier sensible à la fragilité de revenu de type II à la température de revenu élevée initiale peut éliminer cette fragilité.

En production, le revenu est souvent catégorisé en fonction de la température de chauffage, selon les propriétés requises :

• Revenu à basse température (150-250 °C) : la microstructure est de la martensite revenue. Ce procédé réduit les contraintes internes et la fragilité, améliore la ductilité et la ténacité, et préserve une dureté et une résistance à l’usure élevées. Il est utilisé pour les calibres, les outils de coupe et les roulements.
• Revenu à température moyenne (350-500 °C) : Microstructure de type troostite. Permet d’obtenir une élasticité élevée, une certaine ductilité et une dureté satisfaisante. Utilisé pour les ressorts et les matrices de forgeage.
• Revenu à haute température (500-650 °C) : microstructure sorbite. Excellentes propriétés mécaniques globales. Utilisé pour les engrenages et les vilebrequins.

La combinaison d'une trempe suivie d'un revenu à haute température est appelée trempe et revenu, ce qui permet d'obtenir une résistance élevée combinée à une bonne ductilité et une bonne ténacité.

III. Normalisation

La normalisation est un traitement thermique destiné à améliorer la ténacité de l'acier. Elle consiste à chauffer une pièce en acier à une température de 30 à 50 °C supérieure à la température Ac3, à la maintenir pendant une durée déterminée, puis à la refroidir à l'air libre hors du four. Sa principale caractéristique est que la vitesse de refroidissement est plus rapide qu'un recuit, mais plus lente qu'une trempe. La normalisation tire parti de ce refroidissement légèrement plus rapide pour affiner la structure granulaire de l'acier. On obtient ainsi une résistance satisfaisante, mais aussi une ténacité nettement améliorée (mesurée par la valeur AKV) et une réduction de la sensibilité à la fissuration. Les propriétés mécaniques globales de certaines tôles d'acier faiblement allié laminées à chaud, de pièces forgées et de pièces moulées en acier faiblement allié peuvent être considérablement améliorées après normalisation, ce qui améliore également leur usinabilité.

Applications de la normalisation

Acier hypoeutectoïde : La normalisation permet d’éliminer les structures à gros grains surchauffées et les structures de Widmanstätten dans les pièces moulées, forgées et soudées, ainsi que les bandes dans les produits laminés. Elle affine le grain et peut servir de traitement thermique préliminaire avant trempe.

Acier hypereutectoïde : la normalisation permet d’éliminer le réseau ou le film de joint de grain de cémentite secondaire et d’affiner la perlite, ce qui améliore non seulement les propriétés mécaniques, mais facilite également le recuit de sphéroïdisation ultérieur.

Acier à faible teneur en carbone : La normalisation permet d’obtenir une plus grande quantité de perlite lamellaire fine, ce qui augmente la dureté à 140-190 HB. Ceci évite le collage lors de la coupe et améliore l’usinabilité. Pour l’acier à moyenne teneur en carbone, la normalisation est souvent plus économique et pratique lorsque la normalisation et le recuit sont tous deux envisageables.

Acier de construction à teneur moyenne en carbone : lorsque les exigences en matière de propriétés mécaniques ne sont pas élevées, la normalisation peut remplacer la trempe et le revenu à haute température. Cela simplifie l’opération et stabilise la microstructure et les dimensions de l’acier.

Normalisation à haute température (150 à 200 °C au-dessus de Ac3) : grâce à la vitesse de diffusion élevée à haute température, ce procédé permet de réduire la ségrégation des composants dans les pièces moulées et forgées. Les gros grains résultant de la normalisation à haute température peuvent être affinés par une seconde étape de normalisation à plus basse température.

Pour certains aciers alliés à faible et moyen carbone utilisés dans les turbines à vapeur et les chaudières, on utilise souvent la normalisation pour obtenir une structure bainitique, suivie d'un revenu à haute température, qui offre une bonne résistance au fluage entre 400 et 550 °C.

Outre les composants et matériaux en acier, la normalisation est largement utilisée dans le traitement thermique de la fonte ductile (nodulaire) pour obtenir une matrice perlitique, augmentant ainsi sa résistance.

Le refroidissement à l'air étant caractéristique de la normalisation, la température ambiante, la méthode d'empilement, le débit d'air et les dimensions de la pièce influencent la microstructure et les propriétés finales. La microstructure après normalisation peut également servir de critère de classification pour les aciers alliés. Ces derniers sont généralement classés en aciers perlitiques, bainitiques, martensitiques et austénitiques selon la microstructure obtenue après chauffage à 900 °C et refroidissement à l'air d'un échantillon de 25 mm de diamètre.

IV. Recuit

Recuit Le recuit est un traitement thermique des métaux qui consiste à chauffer lentement le métal jusqu'à une température spécifique, à la maintenir pendant une durée suffisante, puis à le refroidir à une vitesse appropriée. On distingue trois types de recuit : le recuit complet, le recuit incomplet et le recuit de détente. Les propriétés mécaniques des matériaux recuits peuvent être vérifiées par des essais de traction ou de dureté. De nombreux aciers sont fournis à l'état recuit. Pour mesurer la dureté de l'acier, on peut utiliser un duromètre Rockwell. Pour les tôles, les bandes et les tubes à parois minces, on peut employer un duromètre Rockwell superficiel.

Objectifs du recuit

• Améliorer ou éliminer divers défauts microstructuraux et contraintes résiduelles causés par la coulée, le forgeage, le laminage et le soudage, empêchant ainsi la déformation et la fissuration de la pièce.
• Ramollir la pièce à usiner pour faciliter son usinage usinage.
• Affiner la structure granulaire et améliorer la microstructure pour optimiser les propriétés mécaniques de la pièce.
• Préparer la microstructure pour le traitement thermique final.

Procédés de recuit courants

Recuit complet ou recuit d'homogénéisation : ce procédé permet d'affiner la microstructure grossière et surchauffée, associée à de mauvaises propriétés mécaniques, résultant de la coulée, du forgeage et du soudage des aciers à moyenne et faible teneur en carbone. La pièce est chauffée à une température de 30 à 50 °C supérieure à celle de la transformation complète de la ferrite en austénite, maintenue à cette température pendant un certain temps, puis refroidie lentement dans le four. Lors du refroidissement, l'austénite se retransforme, ce qui permet d'obtenir une microstructure d'acier affinée.

Recuit de sphéroïdisation : Il est utilisé pour réduire la dureté élevée des aciers à outils et des aciers à roulements après forgeage. La pièce est chauffée à une température de 20 à 40 °C supérieure à celle à laquelle l’acier commence à former de l’austénite, maintenue à cette température, puis refroidie lentement. Lors du refroidissement, la cémentite lamellaire présente dans la perlite se transforme en particules globulaires ou sphériques, ce qui diminue la dureté.

Recuit isotherme : Il est utilisé pour réduire la dureté élevée de certains aciers de construction alliés à haute teneur en nickel et en chrome destinés à l’usinage. Les pièces sont généralement refroidies relativement rapidement jusqu’à la température à laquelle l’austénite est la plus instable, maintenues à cette température pendant une durée appropriée, puis l’austénite se transforme en troostite ou en sorbite, ce qui réduit la dureté.

Recuit de recristallisation : Il sert à éliminer l’écrouissage (augmentation de la dureté, diminution de la ductilité) des fils et tôles métalliques induit par le tréfilage et le laminage à froid. La température de chauffage est généralement de 50 à 150 °C inférieure à la température d’austénitisation de l’acier. Cette plage de températures est nécessaire pour éliminer l’écrouissage et adoucir le métal.

Recuit de graphitisation : Ce procédé permet de transformer la fonte à forte teneur en cémentite en fonte ductile ou malléable présentant une bonne plasticité. Il consiste à chauffer la pièce moulée à environ 950 °C, à la maintenir à cette température pendant une durée déterminée, puis à la refroidir, ce qui provoque la décomposition de la cémentite et la formation de graphite floconneux.

Recuit de diffusion ou homogénéisation : ce procédé permet d’homogénéiser la composition chimique des pièces moulées en alliage et d’améliorer leurs performances. Il consiste à chauffer la pièce moulée à la température la plus élevée possible sans la faire fondre et à la maintenir à cette température pendant une durée prolongée. Ceci permet aux différents éléments de l’alliage de diffuser et d’obtenir une distribution uniforme avant que la pièce ne soit refroidie lentement.

Recuit de détente : Ce procédé permet d’éliminer les contraintes internes dans les pièces moulées en acier et les composants soudés. Pour les produits en acier, le chauffage à une température de 100 à 200 °C inférieure à la température de début de formation de l’austénite, le maintien de cette température, puis le refroidissement à l’air permettent d’éliminer les contraintes internes.