Durcissement après trempe superficielle des aciers et des fontes. Définition du traitement

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Principe : un moyen de chauffage à haute énergie permet de porter la région proche de la surface (1 à 20mm) à la température d’austénitisation. Un refroidissement rapide permet de transformer par trempe cette région en martensite de dureté élevée en relation avec la teneur en carbone de l’alliage

Cette trempe est éventuellement suivie d’un revenu. Le gradient de dureté obtenu est décroissant à partir de la surface. La surface est mise en compression vers la sous-couche.

CARACTÉRISATION :

Dureté supercielle (HRC, HRA, HV)
Profondeur conventionnelle de couche dure Ec ou Dc (sauf spécification particulière NFA04-204)
Exigences de microstructure
Taux de contraintes résiduelles en compression

APPLICATIONS :

Usure
Renforcement à la fatigue

DIFFÉRENTS PROCÉDÉS :

Chauffage à la flamme

Un chalumeau oxy-gaz (oxy – acétylénique, oxy – propane, oxy – méthane …) permet de porter la surface à une température élevée diffusant la chaleur jusqu’à la profondeur recherchée. Les profondeurs élevées requièrent une régulation du gradient de chauffage pour éviter la surchauffe superficielle. Le chauffage s’effectue de proche en proche ou par chauffage généralisé (single-shot).

Chauffage par induction

Un inducteur traversé par un courant haute fréquence entourant la zone à chauffer ou placé à proximité de celle-ci, développe des courants induits qui par effet joule porte la surface à une température d’austénitisation.
La terminologie distingue :

Les hautes fréquences comprises entre 1MHz et 100 KHz
Les moyennes fréquences comprises entre 50Khz et 8 Khz
Les basses fréquences comprises entre 6 et 1KHz

Ce classement n’est pas normatif, les bornes fixées peuvent être différentes selon l’usage dans les entreprises.
Le choix de la fréquence est déterminé par la profondeur chauffée recherchée, l’épaisseur des courants induits étant inversement proportionnelle à la fréquence. Il faut toutefois noter que la profondeur chauffée se fait en grande partie par diffusion mais que le choix d’une fréquence adaptée réduit le gradient de chauffage. Le chauffage s’effectue de proche en proche ou par chauffage généralisé (single-shot).

Cette technique de chauffage avant trempe superficielle est de loin la plus utilisée.

Chauffage par faisceau laser

Un faisceau laser est utilisé en lieu et place d’un chalumeau avec l’avantage ou l’inconvénient selon les cas de couvrir une surface d’impact beaucoup plus faible. Dans le cas de très faibles épaisseurs chauffées le refroidissement par conduction avec les parties voisines restées froides peuvent suffirent à obtenir une vitesse de refroidissement au moins égale à la vitesse critique de trempe martensitique.

Choix des aciers

Toutes les nuances d’acier ferromagnétiques peuvent être chauffées par induction, il conviendra d’apprécier leur comportement lors de la trempe. Les nuances d’aciers les plus couramment employées sont des nuances à faible ou moyenne trempabilité, avec des teneurs en carbone comprises entre 0,25 et 0,55% (centrées à 0,4 – 0,45%) non alliées ou faiblement alliées.

Choix des fontes

Les fontes grises lamellaires ou à graphite sphéroïdal à matrice ferrito-perlitique ou perlitique (la perlite doit être lamellaire) peuvent être durcies par trempe après chauffage superficiel. Les résultats obtenus sont directement en relation avec la quantité de carbone combiné (dans la matrice). Ces matériaux couramment durcis par trempe superficielle doivent cependant faire l’objet de précautions relatives à l’élaboration de la nuance (présence d’eutectique phosphoreux, morphologie du graphite, structure de la matrice…).

APPLICATIONS DES TRAITEMENTS DE DURCISSEMENT APRES TREMPE SUPERFICIELLE

Les durcissements par trempe superficielle spécialement par induction (mais aussi plus rarement au chalumeau, laser…) sont très appliqués aux pièces mécaniques et connaissent une croissance permanente

Ils sont appliqués pour le renforcement à l’usure et la fatigue.
Ils concernent toutes les branches de la mécanique et une très large gamme de pièces en dimensions de quelques mm à plusieurs mètres de longueur ou de diamètre, pour des profondeurs durcies de quelques dixièmes de mm à 20 mm sous réserve d’un choix adapté des fréquences de chauffage et de trempabilité des aciers.
Les domaines concernés sont ceux :

Des industries automobiles et poids lourds
Du machinisme agricole, manutention et engins de travaux publics
Des machines outils et équipements industriels

Exemples :

Dans un moteur thermique : vilebrequin, arbre à cames, poussoirs et linguets, chemises, tiges de soupape…

Dans une boîte de vitesse : fourchettes, axes…

Dans les réducteurs et ponts : arbres, engrenages, portées…

Dans les liaisons au sol de matériel roulant : arbres de transmission, joints homocinétiques, tulipes, arbres de roue, tiges d’amortisseur…

Dans les engins de TP : engrenages de réducteurs, axes, patins, douilles de trains de chenille, couronnes d’orientation, arbres de sortie, axes d’articulation des équipements, tiges de vérins, barbotins (couronnes et arbres)…

Dans le machinisme agricole : arbres de transmission, pièces d’usure

Dans les équipements industriels : rails de guidage, arbres, pistes de roulement, cylindres de laminoirs, cames, galets de roulement, roues de berline, broches de machine outil, tiges calibrées destinées à la fabrication de vérins par exemple (traitement par longueur de 6 m…)

Dans l’outillage : lames de scie, lames de tondeuse, outils à main, outils d’emboutissage et de découpage…