La cémentation est un procédé de durcissement superficiel à haute température permettant d'obtenir des composants dotés d'une surface extérieure dure et résistante à l'usure et d'un cœur robuste absorbant les chocs. C'est le traitement thermique standard pour les composants hautes performances des industries automobile et aérospatiale, notamment les engrenages de transmission, les arbres de transmission et les roulements à forte charge.
Qu'est-ce que la Carburation ?
La cémentation est un traitement thermique chimique consistant à chauffer une pièce et à la maintenir dans un bain de cémentation afin de permettre aux atomes de carbone de pénétrer sa surface. Ce procédé, couramment utilisé pour les matériaux métalliques, confère à la surface cémentée une dureté élevée et une meilleure résistance à l'usure. La cémentation est largement employée pour les pièces mécaniques d'aéronefs, d'automobiles et de tracteurs, telles que les engrenages, les arbres et les arbres à cames.
Selon le milieu carboné utilisé, la carburation peut être classée en carburation gazeuse, carburation solide et carburation liquide.
La cémentation gazeuse est un procédé qui consiste à placer la pièce dans un four de cémentation étanche où est introduit un agent de cémentation gazeux (méthane, éthane, etc.) ou liquide (kérosène, benzène, alcool, acétone, etc.). Ces agents se décomposent à haute température en atomes de carbone actifs qui pénètrent la surface pour former une couche superficielle riche en carbone.
La cémentation solide est la méthode la plus ancienne, consistant à placer la pièce à usiner et un agent de cémentation solide (charbon de bois et activateur) dans une boîte de cémentation scellée, qui est ensuite chauffée dans un four à la température de cémentation et maintenue pendant un certain temps pour permettre aux atomes de carbone actifs de pénétrer la surface.
La cémentation liquide utilise un milieu liquide. Les milieux de cémentation liquides courants comprennent le carbure de silicium et les agents de cémentation « 603 ».
Carburation du gaz
La cémentation gazeuse est actuellement la méthode la plus répandue et celle dont la croissance est la plus rapide. Elle permet de maintenir une atmosphère contrôlée et une qualité de produit stable grâce à un ajustement précis des paramètres du procédé.
La cémentation gazeuse est aujourd'hui largement répandue en raison de son aptitude à la production de masse, de sa simplicité d'utilisation et de la facilité de contrôle de la qualité. Ce procédé utilise principalement le gaz naturel, le propane ou le butane comme agent principal. Il offre des avantages tels qu'une concentration de carbone en surface ajustable, une automatisation aisée du débit de gaz et du contrôle de la température, ainsi qu'une gestion simplifiée. Ses inconvénients résident dans le coût élevé des équipements et des petites séries, ainsi que dans la nécessité de posséder des compétences techniques pointues.
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Il existe deux méthodes de cémentation gazeuse : la méthode par alimentation goutte à goutte et la méthode endothermique. Dans la méthode par alimentation goutte à goutte, la pièce est placée dans un four à fosse étanche contenant un milieu de cémentation actif et chauffée jusqu'à l'obtention d'une phase austénitique à 900–950 °C (généralement 930 °C). Après un temps de maintien suffisant, les atomes de carbone actifs issus de la décomposition du milieu pénètrent la surface de l'acier, ce qui entraîne une forte teneur en carbone en surface tandis que le cœur conserve sa composition initiale. L'atmosphère de cémentation dans le four est principalement formée par la décomposition de liquides organiques tels que le kérosène, l'acétone, le toluène et le formaldéhyde à haute température. Elle est composée essentiellement de CO, H₂ et CH₄, avec de faibles quantités de CO₂ et H₂O.
Le procédé de cémentation gazeuse comprend également trois étapes principales : la décomposition, l’absorption et la diffusion. Premièrement, le milieu de cémentation se décompose à haute température pour produire des atomes de carbone actifs.
CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]
2CO ⇌ CO₂ + [C]
CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]
Par la suite, les atomes de carbone actif sont absorbés par la surface de l'acier, dissous dans l'austénite à haute température et diffusent vers l'intérieur pour former une couche cémentée d'une certaine épaisseur. L'épaisseur de cette couche dépend principalement du temps de maintien. À température constante, des temps de maintien plus longs produisent des couches plus épaisses. En production, la méthode de contrôle par échantillon sur site est souvent utilisée pour déterminer le temps de décharge précis.
Lors de l'utilisation d'un four à fosse à 930 °C, la relation entre le temps et la profondeur de cémentation est la suivante :
| Temps de cémentation/ h | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Profondeur de la couche cémentée /mm | 0.4-0.6mm | 0.6-0.8mm | 0.8-1.2mm | 1-1.4mm | 1.2-1.6mm |
Carburation sous vide
La cémentation sous vide consiste à placer la pièce dans un four sous vide, à la mettre sous vide puis à la chauffer afin de purifier son intérieur. Une fois la température de cémentation atteinte, un hydrocarbure (tel que du propane) est introduit. Après un certain temps, l'injection du produit de cémentation est arrêtée et le four est de nouveau mis sous vide pour permettre la diffusion.
La cémentation sous vide est un type de cémentation gazeuse réalisée sous vide, généralement à des températures élevées (1030–1050 °C). Le vide a un effet nettoyant sur la surface, facilitant l'adsorption des atomes de carbone et réduisant considérablement le temps de cycle à environ un tiers de celui requis pour une cémentation gazeuse classique. De plus, les fours sous vide n'entraînent pas d'augmentation des coûts de maintenance à haute température.
De plus, la cémentation sous vide ne nécessite ni gaz vecteur ni contrôle du potentiel de carbone. La concentration en carbone dépend du rapport entre le temps de montée en température et le temps de diffusion, ce qui élimine le besoin de régulateurs de potentiel de carbone et de générateurs de gaz. Ce procédé offre des avantages considérables en termes de qualité des produits et d'économie d'énergie.
Cémentation plasma
La cémentation plasma utilise le bombardement plasma pour assister la cémentation gazeuse. À l'instar de la cémentation sous vide, elle ne requiert ni générateurs de gaz ni régulateurs de potentiel carbone. La concentration de la couche est contrôlée par l'ajustement de la densité de courant de décharge. Grâce au renforcement du procédé par impact plasma, la vitesse de cémentation est bien supérieure à celle de la cémentation classique, et même comparable à celle de la cémentation sous vide.
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Aciers pour cémentation
Les aciers utilisés pour la cémentation sont généralement des aciers à faible teneur en carbone et des aciers alliés à faible teneur en carbone, avec une teneur en carbone de 0.1 % à 0.25 % afin de garantir une résistance et une ténacité suffisantes au cœur de la pièce. Des éléments d'alliage tels que le chrome, le nickel, le manganèse, le titane et le molybdène sont ajoutés pour améliorer la trempabilité, affiner le grain, prévenir la surchauffe et accroître la ténacité du cœur.
Niveaux et applications courants :
Aciers à faible résistance (S355, 1022, 5120, etc.) : Utilisés pour les pièces résistantes à l'usure à faible charge comme les plaques de friction, les bagues et les jauges.
Aciers à résistance moyenne (20CrMn, 20CrMnTi, 20CrMnMo, etc.) : Utilisés pour les pièces résistantes à l'usure et à la fatigue sous charge moyenne, comme les arbres, les engrenages et les goupilles.
Aciers à haute résistance (12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4, 30CrMnTi, etc.) : Utilisés pour les pièces à haute résistance et à forte charge comme les arbres de moteurs de grande puissance et les engrenages robustes.
Traitement thermique après cémentation
Après cémentation, les pièces doivent subir un traitement thermique pour améliorer la résistance de surface, la dureté et la résistance à l'usure, tout en affinant le grain et en renforçant la ténacité à cœur.
Trempe directe
La trempe directe consiste à refroidir la pièce dans le four (ou pré-refroidissement) à 760–860 °C après cémentation, puis à la tremper. Le pré-refroidissement réduit les contraintes internes et les déformations, et permet la précipitation de carbures dans l'austénite à haute teneur en carbone, diminuant ainsi la quantité d'austénite résiduelle. Cette méthode accroît la productivité et réduit les coûts, mais elle ne convient qu'aux aciers à grains fins et non aux aciers présentant une très forte concentration en carbone en surface.
Trempe unique
Après un refroidissement lent suivant la cémentation, la pièce est réchauffée au-dessus de la température critique et éteintSi les exigences en matière de résistance du noyau sont élevées, la température doit être légèrement supérieure à A3. Pour les pièces soumises à une faible charge mais à des exigences élevées en matière de qualité de surface, la température est fixée à 30–50 °C au-dessus de Ac1.
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Double trempe
La double trempe est utilisée pour les pièces soumises à des exigences mécaniques élevées ou fabriquées à partir d'aciers à gros grains. La première trempe (au-dessus de A3 + 30–50 °C) améliore la structure du cœur. La seconde trempe (au-dessus de Ac1 + 30–50 °C) affine la structure de surface pour obtenir une martensite fine et des carbures secondaires granulaires.
Après trempe, les pièces cémentées sont revenues à une température de 150 à 250 °C. Pour les aciers non alliés, une température de 150 à 180 °C est courante ; pour les aciers alliés, on utilise une température de 160 à 200 °C. Après trempe et revenu à basse température, la dureté superficielle peut atteindre 58 à 64 HRC, offrant une excellente résistance à l'usure, tandis que le cœur conserve sa ténacité. Les contraintes de compression formées en surface améliorent également la résistance à la fatigue.
Performances des pièces cémentées
Après trempe, la microstructure de surface est principalement composée de martensite à haute dureté, d'austénite résiduelle et de faibles quantités de carbures. Le cœur est constitué de martensite à faible teneur en carbone (la ferrite est à éviter). L'épaisseur des couches est généralement de 0.8 à 1.2 mm, et peut dépasser 2 mm pour une cémentation profonde. La dureté de surface atteint 58 à 63 HRC, et celle du cœur 30 à 42 HRC. La cémentation accroît efficacement la résistance mécanique, la résilience et la résistance à l'usure, prolongeant ainsi la durée de vie des pièces.
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