DEFINITION DU TRAITEMENT
Principe : enrichissement superficiel en carbone (entre 0,7 et 0,9% en masse) par diffusion dans le domaine austénitique (900 à 1050°C selon les procédés) suivi d’une trempe et d’un éventuel revenu, afin d’obtenir une dureté superficielle élevée (58 à 62 HRC) selon un gradient décroissant sur une profondeur donnée.
Les profondeurs réalisables sont comprises entre 0,1 et 6 mm. Les plus courantes sont comprises entre 0,3 et 3 mm.
CARACTÉRISATION :
- Teneur en carbone superficielle
- Dureté superficielle (HRC, HRA, HV)
- Profondeur conventionnelle de couche dure Ec ou Dc (sauf spécification particulière selon NFA04-204)
- Exigences de microstructure
- Taux de contraintes résiduelles en compression
APPLICATIONS :
- Usure
- Renforcement à la fatigue
DIFFÉRENTS PROCÉDÉS :
- Solide ou en caisse : emploi de granulés à base de charbon de bois activé, ce procédé n’est plus employé que pour des applications artisanales ou des cémentations de pièces dans des fours à air. La trempe ne peut pas intervenir directement, les pièces sont refroidies puis réchauffées pour être trempées. La cinétique est assez lente, le contrôle de carbone doit être fait sur échantillon ou sur pièce. Température de cémentation comprise entre 900 et 950°C
- Liquide ou en bains de sels : emploi de sels à base de chlorures alcalins (NaCl, KCl) additionnés d’une quantité de cyanures de sodium (NaCN), (environ 10%), il existe des formulations sans cyanure. La cinétique est rapide le contrôle du taux de cyanure permet de maîtriser le potentiel carbone. La trempe est faite directement à l’huile ou aux sels (après « rinçage » dans des sels neutres). Température de cémentation comprise entre 875 et 930°C. Ce procédé est assez peu employé compte tenu des contraintes de traitement des déchets.
- Sous atmosphère contrôlée ou gazeuse : l’atmosphère est du type endothermique obtenue :
- par craquage d’un alcane dans un générateur avec addition de méthane ou propane dans le four pour maintenir le potentiel carbone,
- par injection d’un mélange méthanol – azote directement dans le four avec addition de méthane ou propane dans le four pour maintenir le potentiel carbone,
- ou par injection d’un mélange alcane et air.
La composition type de l’atmosphère est 20 à 25% CO, 20 à 40% N2, 40 à 55% H2 + (CO2, O2, H2O traces). Le potentiel carbone de l’atmosphère est mesuré et piloté par des analyses des gaz : %CO, CO2, H2O,O2. La cinétique est assez rapide grâce à l’optimisation du cycle. La trempe est faite direc-tement le plus souvent à l’huile.
Température de cémentation comprise entre 900 et 975°C. - En lit fluidisé : la fluidisation est faite par un gaz équivalent aux atmosphères gazeuses. La cinétique est rapide mais l’emploi n’est pas très aisé.
- Sous basse pression : après chauffage dans un four à vide une pression séquentielle de l’ordre de 5 à 20mbar est établie par injection d’un hydrocarbure, propane, éthylène ou acétylène, les séquences de carburation sont suivies de séquences de diffusion sous vide. La cinétique est très rapide. Le procédé autorise des températures de cémentation élevées accélérant la cinétique. Les avantages principaux sont l’absence d’oxydation superficielle et une bonne pénétration dans les fins orifices. Ce procédé est souvent associé à une trempe gaz (5 à 20 bar d’azote). Le pilotage repose sur un modèle de réaction gaz métal supposant une saturation en carbone de la surface durant les phases de carburation et diffusion. Température de cémentation comprise entre 900 et 1050°C.
- Assisté plasma ou cémentation ionique : la cémentation se fait sous un plasma de propane. Les avantages sont comparables à la cémentation basse pression auxquels s’ajoutent les épargnes faciles par caches métalliques. Ce procédé a été peu développé, la cémentation basse pression l’ayant concurrencée.
Quelque soit le procédé, la cémentation est suivie d’une trempe soit directe soit différée après reprise d’usinage.
Le choix des températures avant trempe et du fluide de trempe sont choisis pour obtenir une mise en compression de la couche enrichie en carbone vers la sous couche et le cœur.
APPLICATIONS DE LA CEMENTATION OU CARBURATION DES ACIERS
Les applications de la cémentation ou carburation des aciers est très large, elle concerne toutes les applications de résistance à l’usure et de renforcement à la fatigue. Les profondeurs réalisables (0,2 à 6mm, le plus couramment 0,5 à 3 mm) permettent une application sur des organes mécaniques de dimensions très variées dont les limites sont celles des installations.
Les applications se situent dans les domaines :
- Automobile et poids lourds
- Machinisme agricole, manutention et engins de travaux publics
- Machines outils et équipements industriels.
Les pièces types sont : les axes et arbres de transmission, les roulements, les vilebrequins, les pièces d’usure (moules, colonnes de guidage), arbres à came, poussoir, injecteurs, engrenages de tous modules, cames, pistons, règles de guidage, cylindres de laminage, pièces de sécurité en serrurerie, moules à béton, cardans et éléments de transmission, pièces de liaison au sol, outils, etc.
Les aciers sont choisis en fonction des dimensions de la pièce traitée afin de tenir compte de la trempabilité et des besoins de résistance en sous-couche et à cœur.
Le choix de la profondeur est déterminé par les besoins :
- Pour résistance à la fatigue selon la répartition des efforts : localisation des contraintes de cisaillement dans le cas des pièces sollicitées en roulement (cames, dents d’engrenage), importance de la concentration de contraintes.
- Pour la résistance à l’usure : selon le taux d’usure fonctionnel tolérable.
Les procédés de cémentation basse pression ont trouvé leur application sur les pièces présentant de fins orifices devant être cémentés (cas des injecteurs de moteurs diesels).
Les exigences métallographiques sont une composante importante dans la tenue en service, elles se rapportent à la présence éventuelle de défauts (type oxydation interne) en l’absence de rectification et au taux d’austénite résiduelle qui peut avoir un effet sur la tenue en fatigue, sur la tenue aux chocs et la stabilité dimensionnelle dans le temps.
Un traitement cryogénique peut intervenir après traitement, précisément pour transformer l’austénite. Il doit être impérativement suivi d’un revenu de détente.
Mise en œuvre
Equipement principal (four, réacteur, ligne, machine…)
Energie et fluides ( gaz, produits chimiques, liquides de trempe, sels…)
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