Cémentation
N.B : Ce document est le reflet de l’expérience industrielle. Elles sont fournies sans aucune garantie, expresse ou tacite, de leur exactitude.
Revue par A3TS le 29 juillet 2026
Principe
La cémentation des aciers est un 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 64 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 CHD selon la norme NF EN ISO 18203.
Exigences de microstructure
Taux de contraintes résiduelles en compression
Bénéfices
Résistance à l’usure
Tenue au choc
Renforcement de la résistance à la fatigue mécanique et de surface
Application de la cémentation des aciers
Roues dentées, pignons et arbres de transmissions ;
Cages de roulement ;
Pièces mécaniques d’usage général résistantes à l’abrasion et pouvant supporter des chocs.
Aciers de cémentation
Les aciers sont choisis pour leur faible teneur en carbone limitée à 0,3% selon la norme NF EN ISO 683-3 (16MnCr5, 18CrMo4, 17NiCrMo6–4, 18CrNiMo7-6, …) et 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 la résistance à la fatigue selon la répartition des efforts : localisation des contraintes de cisaillement dans le cas des pièces sollicitées en fatigue de surface (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.
Un grenaillage de précontrainte peut transformer l’austénite résiduelle présente en surface en martensite très fine et peu fragile. Les contraintes de compression et la tenue en fatigue superficielle sont augmentées.
La trempe s’effectue à l’huile, dans un mélange d’eau et de polymères ou sous gaz surpressé (jusqu’à 20 bars). Un revenu de détente est généralement pratiqué après trempe pour limiter les risques de fragilité.
Les limitations
Une oxydation interne apparaissant après cémentation gazeuse diminue la résistance à la fatigue mécanique. Une retouche par rectification ou usinage est alors nécessaire pour optimiser les propriétés. Cette oxydation interne ne se forme pas lors de traitements de cémentation basse pression ;
Les déformations après traitement sont d’autant plus importantes que les cycles sont réalisés à haute température pendant une durée élevée. Les déformations peuvent être réduites par trempe au gaz. Suivant les précisions géométriques requises, les déformations sont éliminées par rectification ou usinage ;
Un grossissement du grain préjudiciable à la tenue au choc peut survenir lorsque les maintiens à haute température sont de durée importante ;
La présence d’austénite résiduelle après trempe (entre 10 et 25%) doit être maitrisée car celle-ci n’est pas stable et peut se retransformer sous l’action d’une montée à température au-delà de 200°C, d’une déformation plastique ou d’un maintien à température négative. Un traitement cryogénique peut réduire la teneur en austénite résiduelle.
Paramètre du procédé
Les TECHNOLOGIES de mise en œuvre (il peut y en avoir plusieurs, tout au moins des variantes)
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 directement le plus souvent à l’huile. La température de cémentation sous atmosphère est 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 sous 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 ou d’hélium). 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 du fait d’une maintenance importante des installations, la cémentation basse pression l’ayant concurrencée.
Quel que 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.