Le recuit est un traitement thermique qui permet de modifier les propriétés physiques, et parfois les propriétés chimiques, d'un matériau, généralement en augmentant sa ductilité et en réduisant sa dureté, ce qui facilite son usinage ou son travail.
Aperçu du recuit
Le recuit est un traitement thermique qui consiste à chauffer un métal à une température appropriée, à la maintenir pendant une certaine durée, puis à le refroidir lentement (généralement au four) jusqu'à température ambiante. Le principe du recuit est de chauffer l'acier pour obtenir une austénitisation complète, suivie d'un refroidissement lent qui favorise la transformation perlitique, aboutissant à une microstructure proche de l'équilibre.
Fonction du recuit
Le recuit est effectué pour atteindre plusieurs objectifs critiques :
- Affinement du grain et homogénéisation de la microstructure : Il affine la structure du grain, homogénéise la microstructure interne et réduit la ségrégation chimique, préparant ainsi structurellement le matériau pour les traitements thermiques ultérieurs.
- Détente thermique : Elle élimine les contraintes internes résiduelles au sein de la pièce, empêchant ainsi les fissures ou déformations excessives que ces contraintes pourraient engendrer.
- Réduction de la dureté et amélioration de la plasticité : ce procédé réduit la dureté du matériau et améliore sa plasticité, ce qui est crucial pour optimiser les opérations ultérieures de travail à froid, de formage à froid et d’usinage.
Le processus de recuit est généralement divisé en 3 étapes principales :
- Phase de récupération : Lors de la phase de récupération, un four ou un autre type d'appareil de chauffage est utilisé pour élever la température du matériau jusqu'à un point où ses contraintes internes sont libérées.
- Étape de recristallisation : Lors de cette étape, le matériau est chauffé au-dessus de sa température de recristallisation, mais maintenu en dessous de sa température de fusion. Ce procédé entraîne la formation de nouveaux grains exempts de contraintes.
- Phase de croissance des grains : À mesure que les nouveaux grains se forment, ils poursuivent leur développement complet. Cette croissance est contrôlée par un refroidissement du matériau à une vitesse précise.
L'achèvement des trois étapes permet d'améliorer la ductilité et de réduire la dureté du matériau. Parfois, des traitements ultérieurs peuvent être effectués après le recuit afin de modifier davantage les propriétés mécaniques du matériau.
Types de recuit
Les méthodes de recuit sont généralement classées en fonction de la température de chauffage par rapport aux températures critiques (Ac1 ou Ac3) :
Le recuit de recristallisation par transformation de phase (au-dessus de Ac1 ou Ac3) comprend le recuit complet, le recuit de diffusion, le recuit incomplet et le recuit de sphéroïdisation.
Le recuit en dessous de la température critique (en dessous de Ac1 ou Ac3) comprend le recuit de recristallisation et le recuit de détente des contraintes.
Recuit complet
Le procédé consiste à chauffer l'acier à 20–30°C au-dessus de la ligne Ac3, à le maintenir à cette température pendant un certain temps, puis à le refroidir lentement (refroidissement au four) pour obtenir une microstructure proche de l'équilibre (obtention d'une austénitisation complète).
- Application : Principalement utilisé pour les aciers hypoeutectoïdes (teneur en carbone de 0.3 % à 0.6 %), généralement les aciers à moyenne teneur en carbone et les aciers alliés à faible teneur en carbone, les pièces moulées, les pièces forgées, les profilés laminés à chaud et parfois les assemblages soudés.
- Objectif : affiner la structure granulaire, homogénéiser la microstructure, éliminer les contraintes internes, réduire la dureté et améliorer l’usinabilité de l’acier. La structure résultante dans l’acier hypoeutectoïde est une structure ferrite + perlite (F+P).
- À noter: En production, pour accroître la productivité, les pièces sont souvent retirées du four et refroidies à l'air une fois qu'elles atteignent environ 500 °C.
Recuit isotherme
Le recuit complet peut être long, notamment pour les aciers alliés à austénite surfondue relativement stable. Le recuit isotherme réduit considérablement ce temps en refroidissant rapidement l'acier austénitisé à une température légèrement inférieure à Ar1, en le maintenant isotherme pour transformer l'austénite (A) en perlite (P), puis en le refroidissant à l'air ambiant.
Ce procédé convient aux aciers à microstructure stable, tels que les aciers à haute teneur en carbone (C > 0.6 %), les aciers à outils alliés et les aciers fortement alliés (teneur totale en éléments d'alliage > 10 %). Il permet d'obtenir une microstructure uniforme et des propriétés constantes. Il n'est cependant pas idéal pour les pièces en acier de grande section ni pour les charges importantes dans les fours, car l'obtention d'une température isotherme uniforme dans toute la charge peut s'avérer difficile.
Recuit incomplet
L'acier est chauffé à une température comprise entre Ac1 et Ac3 (pour l'acier hypoeutectoïde) ou entre Ac1 et Acm (pour l'acier hypereutectoïde), maintenu à cette température, puis refroidi lentement pour obtenir une microstructure proche de l'équilibre.
Ce procédé est utilisé pour les aciers hypereutectoïdes afin d'obtenir une structure perlitique sphéroïdale, ce qui contribue à éliminer les contraintes internes, à réduire la dureté et à améliorer l'usinabilité. Le recuit de sphéroïdisation est une forme de recuit incomplet.
Recuit sphéroïdisant
Un traitement thermique spécifique vise à sphéroïdiser les carbures de l'acier, aboutissant à une structure perlitique granulaire (carbure sphéroïdal). Le matériau est chauffé à une température de 20 à 30 °C supérieure à Ac1, maintenu à cette température pendant une durée appropriée (généralement de 2 à 4 heures), puis refroidi lentement dans le four ou maintenu à une température isotherme d'environ 20 °C inférieure à Ar1 pendant une longue période.
Il est principalement utilisé pour les aciers eutectoïdes et hypereutectoïdes, tels que les aciers à outils au carbone, les aciers à outils alliés et les aciers à roulements.
La structure après forgeage ou laminage de l'acier hypereutectoïde — perlite lamellaire avec des réseaux de cémentite — est dure, cassante et difficile à travailler. Machine cncet sujettes à la déformation/fissuration lors de la phase finale TrempeLe recuit de sphéroïdisation permet d'obtenir de la perlite sphéroïdale, où les fines particules globulaires de cémentite sont dispersées dans la matrice de ferrite. Cette structure présente une dureté inférieure, une meilleure usinabilité et, surtout, empêche la croissance des grains d'austénite lors de la trempe ultérieure, réduisant ainsi les risques de déformation et de fissuration.
Si un réseau de cémentite est présent dans l'acier hypereutectoïde, il doit être éliminé par normalisation avant que le recuit de sphéroïdisation puisse se dérouler efficacement.
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Recuit de diffusion
Il s'agit de chauffer des lingots, des pièces moulées ou de grandes pièces forgées à une température élevée, légèrement inférieure à la ligne de solidus, de les maintenir à cette température pendant une période prolongée, puis de les refroidir lentement afin d'éliminer l'hétérogénéité chimique (ségrégation dendritique et régionale).
La température de chauffage est très élevée, généralement de 100 à 200 °C au-dessus de Ac3 ou Accm, selon le degré de ségrégation et la nuance d'acier. La durée de maintien est habituellement de 10 à 15 heures.
Pour éliminer la ségrégation générée lors de la solidification des lingots, homogénéiser la composition chimique et la microstructure.
Le recuit de diffusion est généralement suivi d'un recuit complet ou d'une normalisation pour affiner la structure à gros grains.
Il est principalement appliqué aux aciers alliés de haute qualité et aux pièces moulées ou lingots en acier allié présentant de graves problèmes de ségrégation.
Recuit de relaxation des contraintes
Le recuit de détente consiste à chauffer la pièce en acier à une température spécifique inférieure à Ac1 (généralement entre 500 et 650 °C), à la maintenir à cette température (maintien au chaud), puis à la refroidir lentement (refroidissement au four). La température utilisée étant inférieure à la ligne critique A1, le procédé n'induit aucune modification microstructurale. Il permet d'éliminer les contraintes internes résiduelles au sein du composant.
Recuit de recristallisation
On chauffe un métal écroui à froid à une température supérieure à sa température de recristallisation pendant une durée appropriée. Ce procédé transforme les grains déformés en grains uniformes et équiaxes, éliminant ainsi l'écrouissage et les contraintes résiduelles.
La température de chauffage doit être de 100 à 200 °C supérieure à la température de recristallisation minimale (environ 450 °C pour l'acier). Cette température minimale est généralement Tc = 0.4 Tm (température absolue).
Considérations relatives au choix du recuit
Le choix de la méthode de recuit appropriée suit généralement les principes suivants :
- Pour les aciers à microstructure hypoeutectoïde, on privilégie généralement un recuit complet. Un recuit isotherme peut être choisi afin de réduire la durée du recuit.
- On privilégie généralement le recuit de sphéroïdisation pour les aciers hypereutectoïdes. Si les exigences sont moins élevées, un recuit incomplet peut suffire. Les aciers à outils et les aciers à roulements sont couramment soumis à un recuit de sphéroïdisation. Ce type de recuit est parfois également utilisé pour les pièces extrudées à froid et formées à froid en acier à faible ou moyen carbone.
- Le recuit de recristallisation peut être choisi pour éliminer l'écrouissage.
- Le recuit de détente peut être choisi pour éliminer les contraintes internes induites par divers procédés de fabrication. Le recuit de diffusion est souvent privilégié pour les grandes pièces moulées en aciers alliés de haute qualité afin d'améliorer l'homogénéité de la microstructure et de la composition chimique.
