Durcissement par trempe après chauffage superficiel des aciers et des fontes
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
Un moyen de chauffage à haute énergie permet de porter la région proche de la surface (1 à 20mm) à la température d’austénitisation. Pour obtenir une austénite homogène, la température de chauffage doit être plus élevée que lors d’une trempe dans la masse (900 à 1100°C). 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.
Les durcissements par trempe après chauffage superficiel spécialement par induction ou au laser et plus rarement au chalumeau ou par bombardement électronique, sont appliqués pour le durcissement de pièces mécaniques et connaissent une croissance permanente.
Caractérisation :
La dureté superficielle dépend de la teneur en carbone de l’acier choisi et varie entre 500 et 700HV. La dureté du cœur n’évolue pas ce qui permet de conserver une tenue au choc intéressante ;
Les contraintes résiduelles en surface sont en compression et comprises entre -250MPa et -700MPa ce qui augmente la résistance à la fatigue mécanique.
Les profondeurs de traitement varient entre quelques dixièmes de mm et 20mm en relation avec le matériau, la fréquence du courant électrique utilisé, le temps de chauffe, le mode de refroidissement, et la géométrie de la pièce… ;
La profondeur conventionnelle de couche dure Ec ou Dc (sauf spécification particulière NFA04-204) SHD est mesurée selon la norme NF EN ISO 18203 ;
La résistance à la fatigue superficielle est fortement augmentée car la zone superficielle sollicitée présente une limite d’élasticité élevée.
Les déformations après traitement sont faibles car le cœur n’est pas affecté par le traitement ;
Bénéfices
Résistance à l’usure
Renforcement à la fatigue
Applications des traitements de durcissement après trempe superficielle
Ils sont appliqués pour augmenter la résistance à l’usure et à 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 :
Pièces mécaniques de grande série.
Roues dentées, pignons et arbres de transmissions ;
Couronne de roulement d’éoliennes ;
Cylindres de laminoirs.
Limitations
Le traitement est adapté aux pièces de grandes dimensions ;
Autour des parties traitées en forte compression, des zones de sortie de profil sont en forte traction. Si ces zones sont sollicitées en fatigue, la limite d’endurance de la pièce peut être affectée ;
Les chauffages et refroidissements très rapides peuvent occasionner des tapures.
Paramètres du procédé
Les TECHNOLOGIES de mise en oeuvre (il peut y en avoir plusieurs, tout au moins des variantes)
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 faibles épaisseurs chauffées et de pièces suffisamment massives, le refroidissement par conduction avec les parties centrales restées froides peuvent suffirent à obtenir une vitesse de refroidissement au moins égale à la vitesse critique de trempe martensitique, on parle alors d’autotrempe.
Choix des aciers
Toutes les nuances d’acier ferromagnétiques peuvent être chauffées par induction. 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. Des aciers plus chargés en éléments d’addition (Cr, Mo, V) à plus forte trempabilité sont employés lorsque des profondeurs de traitement plus importantes sont recherchées.
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 en solution dans la matrice. Ces matériaux couramment durcis par trempe après chauffage superficiel 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…).
Mise en œuvre
Equipement principal (four, réacteur, ligne, machine…)
Energie et fluides ( gaz, produits chimiques, liquides de trempe, sels…)
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