M1405.pdf

M 1

40

5

10

- 1

996

Choix du traitement thermique des matériaux ferreux pour l’automobile

par Yves POURPRIXChef de service Direction des matériaux et technologie de PSA

édiger un guide de choix des traitements thermiques des métaux ferreuxpour l’automobile est une opération délicate pour plusieurs raisons :

— d’abord parce qu’il n’y a pas une solution technique à une fonction maissouvent plusieurs qui sont concurrentes ;

— ensuite parce que les choix dépendent souvent du contexte industriel(moyens en place, politique d’investissements, gestion des flux, problèmesd’environnement...) ;

— enfin parce que les cahiers des charges d’une fonction ou d’un organe évo-luent très vite, de même d’ailleurs que l’offre en matière de solutions techniques.

1. Contexte Automobile.............................................................................. M 1 405 - 21.1 Matériaux métalliques dans le véhicule .................................................... — 21.2 Concurrence des matériaux........................................................................ — 21.3 Évolution des aciers .................................................................................... — 3

2. Exigences fonctionnelles des pièces mécaniques.......................... — 32.1 Pièces travaillant en fatigue........................................................................ — 32.2 Pièces travaillant en sollicitations de surface............................................ — 52.3 Pièces travaillant au choc............................................................................ — 52.4 Autres modes de sollicitations ................................................................... — 6

3. Solutions apportées par le traitement thermique .......................... — 63.1 Pièces travaillant en fatigue........................................................................ — 63.2 Pièces travaillant en sollicitations de surface............................................ — 73.3 Pièces travaillant au choc............................................................................ — 8

4. Critères industriels de choix des traitements thermiques........... — 84.1 Flux tendu..................................................................................................... — 94.2 Coût et productivité ..................................................................................... — 94.3 Flexibilité ...................................................................................................... — 94.4 Reproductibilité............................................................................................ — 94.5 Environnement ............................................................................................ — 94.6 Maîtrise dimensionnelle.............................................................................. — 10

5. Principales applications industrielles ................................................ — 105.1 Traitements dans la masse ......................................................................... — 105.2 Traitements superficiels .............................................................................. — 115.3 Traitements thermochimiques ................................................................... — 12

6. Conclusion ................................................................................................. — 14

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 1 405

R

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 1 405 − 1

CHOIX DU TRAITEMENT THERMIQUE DES MATÉRIAUX FERREUX POUR L’AUTOMOBILE ______________________________________________________________

Nous ferons donc tout d’abord un tour d’horizon assez approfondi du contexteautomobile en abordant l’entité véhicule, ses principaux organes mécaniques,leurs exigences fonctionnelles et enfin le contexte industriel.

Cette approche permettra dans une seconde partie d’aborder les solutions entermes de technologies et de propriétés fonctionnelles, de comparer les procédéset d’évoquer les tendances pour le proche avenir.

1. Contexte Automobile

1.1 Matériaux métalliquesdans le véhicule

Une observation macroscopique de la répartition des matériauxdans l’automobile des années 90 permet de faire ressortir ledécoupage donné sur la figure 1.

Il convient, pour affirmer cette approche, de séparer le véhiculeen ses trois fonctions principales, la structure, le garnissage et lesorganes mécaniques.

On ne s’attardera pas sur la fonction garnissage, ou habillage dela caisse qui est le domaine des matériaux organiques, à l’exceptionde quelques fonctions mécaniques (armatures et réglage des sièges,équipements électriques, éléments de fixation, mécanismes diverssur lesquels des traitements thermiques de renforcement peuventêtre requis).

La partie structure du véhicule est essentiellement le domaine desproduits plats, aujourd’hui tôles en acier doux revêtues, les per-formances essentielles recherchées étant l’emboutissabilité et lasoudabilité.

Les approches de substitution par les matériaux organiquesrestent timides, malgré quelques applications remarquées (capots,volets AR), la solution acier restant économiquement et industriel-lement très compétitive. Les récentes démarches volontaristesd’allégement laissent apparaître un créneau pour les alliages légers.Peu de place là non plus pour les traitements thermiques à l’excep-tion de quelques fonctions d’assemblage (charnières, serrures...) oùdoivent être traités simultanément les problèmes de tenuemécanique et de tenue à la corrosion.

La troisième partie concerne les organes mécaniques dont lavocation est d’assurer la motricité du véhicule et son comportementroutier.

C’est dans cette fonction que l’on trouve les pièces méca-niquement les plus sollicitées et par conséquent tout naturellement,l’essentiel des applications des traitements thermiques derenforcement.

Le découpage traditionnel consiste à traiter séparément les piècesmoteur (distribution, attelage mobile, base moteur), les pièces trans-mission (embrayage, boîte de vitesses, pont, arbres de transmissionaux roues), et les pièces de liaison au sol, constituées descomposants de suspension (ressorts, amortisseurs, bras, pivotsmoyeux...) des composants de freinage (commande hydraulique,disques...) et des composants de direction (colonne, pignon,crémaillère, carter, etc.)

On retrouvera les applications des métaux traités sur la plupartdes pièces qui transmettent la puissance depuis l’attelage mobilejusqu’aux roues, ainsi que sur les principales fonctions de sécuritéde la liaison au sol.

1.2 Concurrence des matériaux

Dans le domaine des pièces mécaniques, lorsque l’on évoque lestraitements thermiques, le contexte a considérablement évolué entreles années 70 et les années 90 par le développement massif de l’uti-lisation des fontes GS sur des pièces aussi importantes que les vile-brequins, pivots de fusées, triangles, etc., ce matériau couvrantaujourd’hui le domaine des résistances de 400 à 1000 MPa (fontesbainitiques) avec des résiliences acceptables et la possibilité éga-lement d’être renforcé localement par traitements thermiques(figure 2).

Apparaissent également, en croissance continue, les applicationsdes aciers issus de la métallurgie des poudres (aciers frittés) dontla maîtrise de la réalisation, parfois l’association avec le forgeage,l’aptitude aux traitements thermiques permettent de les utiliser à desfonctions de plus en plus nobles. On note ainsi que le tonnage depièces en fonte a été multiplié par 5 en dix ans (80 à 90) et que letonnage de pièces en M.D.P. a été plus que doublé en 5 ans (86 à91) alors que dans le même temps la consommation d’acier en barresbaissait de 40 %.

Plus timidement des approches alliages légers, coulés ou forgésse sont amorcées pour répondre aux exigences d’allégement desvéhicules. Le prix de la matière reste cependant un frein à ce typede développement.Figure 1 – Répartitions des matériaux dans un véhicule automobile

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.M 1 405 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques

______________________________________________________________ CHOIX DU TRAITEMENT THERMIQUE DES MATÉRIAUX FERREUX POUR L’AUTOMOBILE

1.3 Évolution des aciers

Sous l’effet de cette concurrence, on constate que la répartitiondes nuances d’acier a sensiblement évolué, avec une forte réductionde la part des nuances dites d’usage général, au profit de quatregrandes familles :

— les aciers à traitement direct (aciers au manganèse, aciers àdispersoïdes) ;

— les aciers au carbone pour traitements superficiels ;— les aciers à ressorts ;— les aciers faiblement alliés pour traitements thermochimiques.

La figure 3 illustre l’évolution des parts de ces familles au coursdes 10 dernières années.

Parallèlement les progrès de la sidérurgie permettent, à partir derégressions s’appuyant sur les banques de données des différentesaciéries, d’avoir une maîtrise accrue de la prévision du compor-tement des aciers aux traitements thermiques.

Par ailleurs, la maîtrise de la nature et de la forme des inclusionsautorisent, selon le besoin, d’optimiser le comportement à l’usinageou les caractéristiques d’emploi.

Enfin, les technologies de mise en œuvre se caractérisent par laréduction du domaine des pièces décolletées, au profit notammentdu forgeage de précision qui empiète également sur la forge tradi-tionnelle (visserie, tubes extrudés ou martelés, pignons, etc.) : cetteévolution entraîne, par voie de conséquence, une évolution associéedu choix des nuances vers des teneurs en carbone plus bas, desteneurs en soufre inférieures et de ce fait un accroissement descaractéristiques d’emploi.

2. Exigences fonctionnelles des pièces mécaniques

La situation qui est présentée ici n’est pas exhaustive, ni immuablele produit étant lui-même en constante évolution : elle donne cepen-dant une image des principaux choix technologiques en fonction dumode de sollicitations.

2.1 Pièces travaillant en fatigue

On intègre dans cette famille les différents aspects de la fatigue,traction-compression, flexion alternée, torsion et les sollicitationsdynamiques combinées.

Les méthodes de calcul actuelles du chargement des pièces per-mettent de déterminer avec précision le mode de sollicitationscombinées et, de ce fait, de localiser sur la pièce les chargementscritiques et le niveau de criticité (figure 4).

De fait, les données nécessaires au niveau du matériau évoluent :des classiques données de flexion rotative ou de traction-compression on passe à l’utilisation de critères plus complexes, maismieux représentatifs du chargement réel tels que la droite de Dang-Van [1], obtenue à partir de trois essais de fatigue, qui définit uneenveloppe à l’intérieur de laquelle doit nécessairement se situer lechargement de la pièce étudiée.

Figure 2 – Évolution de l’utilisation des métaux

Figure 3 – Évolution de l’utilisation des grandes familles d’acier



La figure 5 représente deux types de rupture en fatigue caracté-ristiques.

2.1.1 Pièces moteurs

On rencontre comme pièces travaillant à la fatigue :

■ dans la distribution :— les culbuteurs (flexion répétée) ;— les ressorts de soupapes (torsion et flexion) ;— les arbres à cames (torsion et flexion) ;

■ dans l’attelage mobile :— les axes de pistons (flexion alternée) ;— les pistons (traction-compression) ;— les bielles (traction-compression) ;— les vis de bielles (traction-compression) ;— les vilebrequins (flexion rotative + torsion).

■ dans le reste du moteur, citons encore les pignons d’entraînementd’accessoires dont les dents travaillent en flexion, les vis de culassetravaillant en fatigue thermique pour n’évoquer que les pièces lesplus connues.

2.1.2 Pièces de transmission

C’est sans doute dans cette partie du véhicule que l’on trouve lespièces les plus sollicitées en fatigue :

— moyeux d’embrayage (flexion rotative) ;— ressorts d’embrayage (torsion) ;— arbres de boîte de vitesses (torsion) ;— pignons de boîte de vitesses (flexion plane alternée) ;— pignons de différentiel (flexion plane alternée) ;— arbres de transmission (torsion) ;— entraîneurs, cages, noix (torsion, flexion) ;— moyeux (flexion rotative).

2.1.3 Pièces de liaison au sol

Alors que les deux catégories précédentes travaillent dans l’ordrede fréquence du régime moteur, et pour lesquelles le critère d’endu-rance doit être la limite de fatigue à 107 voir > 108 cycles, la situationest assez nettement différente pour les pièces de liaison au sol, pourlesquelles les sollicitations sont de fréquence beaucoup plus faible,d’amplitude beaucoup plus aléatoire, avec des niveaux de charge-ment parfois très élevés (figure 6).

Il conviendra donc de développer des solutions métallurgiques quidonnent des performances intéressantes dans le domaine de ladurée de vie à haute sollicitation, associées à une haute limited’élasticité.

Les principales pièces travaillant à la fatigue dans les liaisons ausol sont les suivantes :

— ressorts de suspension (torsion) ;— triangles, bras, pivots (flexion) ;— rotules (flexion) ;— moyeux (flexion rotative) ;— fusées (flexion alternée) ;— barres de torsion ou antidévers (flexion + torsion) ;— pignons de crémaillère (torsion + flexion) ;— crémaillères (flexion denture).

Figure 4 – Maillage d’un triangle de suspension

Figure 5 – Rupture en fatigue



2.2 Pièces travaillant en sollicitationsde surface

Sans rentrer dans des considérations trop détaillées dans cesdomaines, on peut distinguer les familles de sollicitations suivantes :

— fatigue de surface (pitting ) : elle concerne les pièces travaillantsous forte pression de contact en roulement, roulement/glissementou glissement ;

— usure abrasive : elle concerne les pièces travaillant en glisse-ment face à des pièces antagonistes dures ou dont l’état de surfaceest agressif, ou lorsque des corps étrangers peuvent eux-mêmesjouer le rôle abrasif ;

— usure adhésive : c’est le classique grippage lié aux considé-rations de compatibilité chimique entre les surface en contact.

La figure 7 représente deux exemples de modes détérioration desurface.

En plus des propriétés du matériau et de sa géométrie de surface,interviennent naturellement dans le processus les caractéristiquesdu lubrifiant en cas de frottement lubrifié, ainsi que les coefficientsde frottement des surfaces en présence.

Bien souvent, les différents modes évoqués ci-avant sontcombinés amenant à rechercher des solutions de compromis, lessolutions métallurgiques retenues n’étant généralement pas neutresvis-à-vis des propriétés de fatigue évoquées dans le paragraphe 3.1.

Enfin un type de sollicitation de surface est rencontré de façontrès générale, en tous cas pour les pièces mécaniques exposées, ils’agit de la corrosion, qui outre les atteintes au niveau de l’aspectpeut avoir des conséquences sérieuses sur la tenue mécanique :fatigue-corrosion, rupture différée, voire pour les pièces de faibleépaisseur rupture classique liée à une réduction de la section utile.

Comme pour la fatigue on peut faire un tour d’horizon parorgane des pièces soumises aux sollicitations de surface.

2.2.1 Pièces moteur

■ Dans la fonction alimentation/distribution

— sièges de soupape : usure abrasive et corrosion ;— guides de soupape : usure abrasive ;— soupapes : usure abrasive et corrosion ;— poussoirs : fatigue de surface, usure adhésive, usure abrasive ;— culbuteurs : fatigue de surface, usure adhésive, usure abrasive ;— cames : fatigue de surface, usure adhésive, usure abrasive.

■ Dans l’attelage mobile

— segments : usure abrasive ;— coussinets : usure adhésive, usure abrasive ;— vilebrequins : usure adhésive, usure abrasive.

■ Dans le cylindre

— chemises : usure abrasive.

2.2.2 Transmission

— pignons de boîte de vitesses : fatigue de surface, usureabrasive ;

— roulements : fatigue de surface ;— axes de satellites : usure abrasive, usure adhésive ;— bagues de synchronisation : usure abrasive ;— fourchettes : usure abrasive ;— entraîneurs : usure abrasive, fatigue de surface ;— arbres de transmission : usure abrasive, matage ;— triaxes, galets, cages, noix : fatigue de surface, usure abrasive.

2.2.3 Liaison au sol

— moyeux (cannelures) : matage ;— crémaillères, pignons : usure abrasive, fatigue de surface ;— triangles, pivots, ressorts, barres de torsion : corrosion.

2.3 Pièces travaillant au choc

2.3.1 Pièces moteur

Il n’y a pas dans le moteur, en fonctionnement normal, de piècestravaillant réellement au choc, mais des efforts brutaux peuvent êtreobservés en régime limite sur les pièces de distributions, poussoirs,culbuteurs, soupapes.

2.3.2 Pièces de transmission

Il s’agit pour ces pièces de montées en effort brutal suite à deschangements de régime de fonctionnement : démarrage brutal,reprise d’adhérence par exemple. Sont ainsi sollicités :

— les dents de pignons de boîtes de vitesses, essentiellement enpremière et marche arrière et les pignons de différentiel ;

— les arbres de transmission et les joints homocinétiques ;— les fusées de roues (motrices).

Figure 6 – Domaines de sollicitation des différentes piècesd’un véhicule

Figure 7 – Modes de détérioration en surface



2.3.3 Pièces de liaison au sol

Sans doute le cas le plus fréquent, et aussi le plus critique car ils’agit en général de pièces de sécurité.

— dans la direction : pignon et crémaillères de direction, rotules,boîtiers de rotules ;

— dans la suspension : tiges d’amortisseurs, triangles de sus-pension, pivots de fusée, fusées, moyeux...

2.4 Autres modes de sollicitations

■ La plupart des pièces mécaniques externes sont soumises à lacorrosion, mais cette sollicitation a des conséquences fonctionnellesimportantes sur certaines pièces de liaison au sol : tiges d’amortis-seurs, vis, triangles, etc.

■ Citons également le cas général de la visserie soumise à des sol-licitations statiques de traction pouvant engendrer, dans certainesconditions de traitements de surface des risques de rupture différée(fragilisation par l’hydrogène).

3. Solutions apportéespar le traitement thermique

3.1 Pièces travaillant en fatigue

Il convient de bien connaître le mode de sollicitation : on s’orien-tera plus volontiers vers des traitements dans la masse pourrépondre à des exigences de type traction-compression, vers destraitements dans la masse ou des traitements épais lors de sollici-tations en torsion et vers des traitements superficiels pour les piècestravaillant en flexion.

3.1.1 Pièces sollicitées en traction-compression

Dans l’absolu, et pour les aciers, il existe une assez bonne cor-rélation entre dureté et tenue en fatigue : on choisira donc le matériauen fonction du niveau de chargement et des autres contraintes liéesà l’élaboration du produit : usinabilité, tenue au choc.

Le savoir faire actuel dans le domaine de l’usinage en grande sériedes aciers limite 1 000 MPa la résistance des pièces traitées sur brut,c’est-à-dire à une limite de fatigue 500 MPa. Au-delà, il faudratraiter après usinage, ce qui est de moins en moins compatible avecles lignes de mécanique modernes, qui travaillent en flux tendu, etce qui est d’ailleurs rendu difficile par les problèmes de déformation.

Il faut ajouter, que lorsqu’il s’agit de pièces dont les parties brutessont sollicitées, la tenue en fatigue ne suit plus la dureté car le maté-riau devient de plus en plus sensible aux défauts de surface commel’indique la courbe figure 8.

On trouve donc dans cette catégorie les aciers au carbone oufaiblement alliés trempés et revenus :

C48, 38 à 48Cr2, 20Mn5, 20MnCr5, 35Cr4, 35CrMo4 ou des nuancesau bore : 20MB5 à 38MB5.

Ces nuances se retrouvent pour les pièces telles que bielles,triangles de suspension, moyeux, biellettes et surtout visseries.

D’une façon générale on tendra à privilégier les solutions :— peu sensibles aux tapures de trempe : donc des bas carbone,

sauf si la pièce nécessite en plus un durcissement local par traitementpar induction ;

— compatibles avec des fluides de trempe autres que l’huile, pourdes raisons de sécurité des installations de traitement thermique enforge. Cet objectif est maintenant atteint sur la plupart des nuancesgrâce à l’usage des additifs polymères qui permettent d’adapter ladrasticité du milieu de trempe, à la nuance, à la masse et à la géo-métrie des pièces.

De nouvelles orientations se font jour.

■ L’utilisation d’aciers bainito-martensitiques à très bas carbone,utilisables à l’état brut de trempe après forgeage : il s’agit d’aciersdont la teneur massique en carbone est % avec additions deCr, B ou Mn qui sont trempés à l’eau en sortie de presse et dontles caractéristiques dépassent 1 000 MPa pour la résistancemécanique à la traction Rm et 500 MPa en fatigue σD .

Ils présentent également l’intérêt d’être facilement soudables etpeu sensibles à la décarburation.

■ L’utilisation d’aciers à dispersoïdes qui permettent de couvrir ledomaine de Rm de 800 à 1 000 MPa : ces nuances sont des aciersmi-durs (0,30 à 0,45 % en masse de carbone) alliés au Mn-V, dontles caractéristiques sont obtenues par durcissement de la ferrite parprécipitation de carbonitures de vanadium.

Leur structure est donc généralement ferrito-perlitique et obtenuepar refroidissement à l’air après forgeage. La taille de grain estcontrôlée par addition de titane.

Ils se caractérisent par un rapport Re /Rm inférieur à celui des acierstrempés revenus, mais par un par σD /Rm généralement plus élevé.Ils se substituent donc avantageusement aux aciers trempés revenuslorsque le critère fatigue est prépondérant (moyeux de roues,bielles...)

Ils sont, dans certains cas, utilisés à l’état bainitique par refroi-dissement accéléré dans la première phase (jusque vers 500 oC) :c’est le cas de certaines applications de vilebrequins.

Pour certaines applications se développent également les aciersdurcis par écrouissage (visserie) ou traitements thermo-mécaniques(déformation en cours de refroidissement) notamment pour des axeset des pièces cylindriques dont les caractéristiques peuvent êtreobtenues en cours de laminage.

■ Enfin, on observe l’émergence de fontes bainitiques, qui bien queprésentant un σD /Rm inférieur aux aciers (de l’ordre de 0,4) sont unealternative économiquement intéressante, surtout lorsqu’il s’agit depièces massives (vilebrequins, pièces de liaison au sol). Ici le Rm sesitue également entre 800 et 1 000 MPa. Les caractéristiques sontobtenues soit sur brut (mais l’usinage devient difficile et onéreux)soit sur ébauche, mais là aussi cela implique la mise en place demoyens de traitements peu compatibles avec les lignes d’usinaged’autant que les technologies de trempe étagée restent générale-ment les bains de sel.

�

Figure 8 – Influence de la dureté sur la sensibilité à l’entaille

�0,1



3.1.2 Pièces travaillant en torsion

Il s’agit ici essentiellement de la famille des ressorts et barres detorsion, à laquelle on peut ajouter partiellement les vilebrequins.

Ce domaine est un peu frontière entre l’utilisation des traitementsdans la masse et les traitements superficiels avec, bien souvent, unecombinaison des deux.

Le choix va ici dépendre de la géométrie des pièces à traiter, maiségalement des moyens industriels en place.

Pour les ressorts hélicoïdaux, qu’ils soient de suspension ou pourd’autres applications (soupapes, embrayages, etc.) on privilégie letraitement dans la masse : aciers durs alliés au Cr, Cr-V, Si-Cr, Si-Cr, Mo, etc. trempés à l’huile et revenu à des températures qui peu-vent varier entre 300 et 500 oC selon le niveau de limite d’élasticitéet de fatigue exigé.

Plus les résistances seront élevées, plus le matériau sera sensibleen fatigue à deux types de défauts :

— défauts inclusionnaires, surtout au voisinage de la surface ;— défauts de surface, du fait de la sensibilité accrue à l’effet

d’entailles.

Pour la qualité inclusionnaire, le travail mené par la sidérurgiepermet une maîtrise de la taille critique des inclusions qui notam-ment dans le cas des ressorts de soupapes doivent rester inférieuresà 20 µm et à un niveau de quantité très faible. Un accroissementdu chargement, donc du niveau de dureté, impose au-delà, des éla-borations très spécifiques avec refusion sous vide.

Dans le cas des vilebrequins, un renforcement superficiel estobtenu par le galetage : un galet cylindrique applique dans les rayonsde raccordement, un écrouissage et une mise en compression quipeuvent jusqu’à doubler la tenue en fatigue (cas des fontes GS) oul’augmenter de 30 à 50 % (cas des aciers forgés).

Pour les arbres de transmission, c’est également l’induction quise généralise.

3.1.3 Pièces travaillant en flexion

C’est le cas le plus fréquent, souvent associé à de la torsion ouà de la traction.

On recherche dans ce cas des traitements superficiels quipermettent d’obtenir en surface les meilleures caractéristiques dedureté, résistance et contraintes de compression, tout en évitant lesproblèmes de procédé de fabrication inhérents au traitement dansla masse surtout pour les aciers durs, tels que déformations outapures de trempe.

L’intérêt des traitements superficiels est qu’ils sont applicables surdes pièces semi-finies ou finies et que dans certains cas ils peuventêtre localisés.

Suivant les cas, différentes solutions sont utilisées.

■ La nitruration est retenue lorsque le traitement ne peut s’appliquerque sur des pièces finies et que de plus les exigences géométriquessont sévères : l’absence de trempe fait que ce traitement est celui quidéforme le moins. Par contre, il impose l’utilisation de nuances assezalliées, à l’état prétraité pour avoir de bons résultats en fatigue (aciersCrMo 12, CrMoV 13 et au-delà à 5 % de Cr). Il s’agit donc de solutionsriches donc faiblement développées sur les pièces de grande série.

Une exception notable, les vilebrequins en acier pour certainesapplications haut de gamme.

La nitruration sur les fontes GS apporte également un gain derésistance à la fatigue notable de l’ordre de 50 %.

■ La cémentation ou la carbonitruration utilisées pour les pièces degéométrie complexe pour lesquelles la quasi-totalité de la surface estsollicitée et qui sont soumises à des contraintes très élevées : c’estle cas notamment de la pignonnerie de boîtes de vitesses et decertaines pièces des joints de transmission.

On choisira de préférence la cémentation pour les couchesépaisses, de l’ordre du millimètre, qui sont le plus souvent soumisesà une rectification finale (pièces de pont hypoïde, triaxes, etc.). Lacarbonitruration, légèrement plus performante en fatigue estréservée aux couches inférieures à 0,5-0,6 mm sur des pièces finies,la diffusion d’azote n’affectant que le premier dixième de millimètre.

■ La trempe superficielle est une solution élégante à de nombreuxproblèmes de fatigue de flexion car, comme on l’a déjà évoqué, ellecumule trois avantages :

— elle associe dureté de la martensite et fortes contraintes decompression ;

— elle peut être appliquée localement en conservant à d’autrespoints d’une pièce les caractéristiques de ductilité et d’usinabilitésouhaitées ;

— elle est compatible avec des aciers peu ou pas alliés ;mais elle présente deux inconvénients :

— une plus grande déformation des pièces ;— toutes les géométries ne sont pas compatibles avec un

couplage correct pièce/inducteur.

Les profondeurs affectées se situent, en trempe par induction etselon les paramètres utilisés (fréquence, puissance, durée) entrequelques dixièmes de millimètre et quelques millimètres.

Ce traitement est également bien adapté aux pièces en fonte GSet aux pièces en acier fritté, mais pour ces deux matériaux, le ren-forcement en fatigue est modeste, car la performance des marten-sites obtenues est réduite par la présence de défauts initiateurs defissures, la sensibilité à l’entaille étant d’autant plus grande que ladureté de la matrice est élevée (les défauts indiqués sont la présencede graphite pour les fontes et les porosités pour les frittés).

Les applications de l’induction pour les pièces en acier travaillanten fatigue sont très nombreuses. Citons parmi les principales lesentraîneurs de transmission, les arbres, les fusées de roues, les tigesd’amortisseurs, les crémaillères et pignons de direction. Denouvelles applications sont à l’étude telles que dents de pignons deboîtes de vitesses ou congés de vilebrequins par exemple.

■ Tout comme pour la torsion, la tenue en fatigue de flexion estsensiblement améliorée par le grenaillage de précontrainte encomplément d’un traitement superficiel : il se généralise notammentsur les dentures de pignons de boîtes de vitesses. Cette opérationpermet également dans certains cas de gommer des contraintes detraction débouchantes qui peuvent apparaître en zone limite depièces trempées localement, ou par exemple à l’intérieur de piècestubulaires trempées au défilé par induction.

3.2 Pièces travaillant en sollicitationsde surface

Il faut comme on l’a vu dans le précédent paragraphe 3.1, dis-tinguer les modes fatigue de surface, usure abrasive et usure adhé-sive bien que ces sollicitations soient souvent continues.

3.2.1 Fatigue de surface

Il s’agit de résister à des pression de Hertz très élevées situéesquelques centièmes à quelques dixièmes de millimètre en-dessousde la surface [2].

Pour résoudre ce problème, on utilisera des matériaux à hautedureté associés également à des contraintes internes decompression.

Les solutions sont, par ordre croissant de performances, lescouches nitrurées, les couches trempées par induction, les couchescémentées et les couches carbonitrurées.



Pour les couches cémentées ou carbonitrurées, l’expériencemontre que les meilleures performances sont obtenues :

— avec des aciers à bas taux inclusionnaire ;— avec les conditions de trempe les plus sévères (une couche

trempée à l’huile froide tient mieux, à dureté égale, qu’une couchetrempée au nitrate ou au gaz sous pression).

Il faut d’une façon générale, adapter la profondeur traitée auxconditions géométriques du contact, les pignons à gros modules parexemple nécessitant des couches plus épaisses.

Des résultats remarquables peuvent être obtenus en superposantun traitement induction à une cémentation : on associe dans ce casun grain très fin, une dureté très élevée et une vitesse de refroidis-sement très rapide.

Si les conditions de frottement le permettent (pignons de boîtespar exemple) le grenaillage de précontrainte permet également ungain sensible (durée de vie multipliée par 2).

Pour les pièces de distribution (arbres à cames poussoirs) les solu-tions de type fonte lédéburitique sont le plus souvent utilisées (pourle poussoir les solutions acier extrudé cémenté ont généralementremplacé la classique fonte blanche).

La couche de fonte blanche peut être obtenue soit à la coulée,soit par refusion sur ébauche (arc TiG, laser, etc.). C’est une solutionéconomique pour des pressions de contact moyennes associées àun fort glissement.

En cas de roulement pur les solutions les plus performantes sontles aciers de la famille des 100Cr6 ou les aciers cémentés de hautepropreté. Des nuances avec addition de silicium se développent pourla tenue des roulements à tiède ( 200 oC).

3.2.2 Usure abrasive

On retrouve dans ce domaine la plupart du temps des martensites,très souvent obtenues en traitement par induction.

Des exemples existent sur aciers (portées de vilebrequins, tigesd’amortisseurs, axes de satellites...) mais sont également trèsnombreux en fonte GS (vilebrequins, paliers d’arbres à cames, doigtsde fourchettes...) et sur certaines pièces en acier fritté (bagues desynchroniseurs, linguets de distribution, etc.). On retrouve éga-lement des solutions de type cémentation ou carbonitruration surdes pièces en acier, tôles ou aciers frittés (axes de pistons,mécanismes de sièges, etc.).

Sur ce dernier matériau on peut également améliorer la résistanceà l’usure abrasive par oxydation ménagée (formation de Fe3O4 partraitement à la vapeur d’eau). Cette opération permet par ailleursde densifier le matériau et, par conséquent, d’assurer, dans certainscas, une fonction d’étanchéité. Les applications connues sont lespoussoirs de crémaillères, pistons d’amortisseurs, etc.

Dans certains cas particuliers et lorsque l’usure abrasive est asso-ciée à une usure adhésive (lubrification limite) on est amené à utiliserdes traitements de surface en substitution aux traitements ther-mochimiques (nickelage, chromage dur) : ces solutions donnentsatisfaction pour des applications telles que les cylindres en alumi-nium, les tiges d’amortisseurs, les poussoirs de culbuteurs, trèssollicités, les axes de satellites, etc.

3.2.3 Usure adhésive

Situation observée lorsque les conditions de lubrification sontaléatoires, notamment dans les régimes transitoires.

Ici les traitements thermochimiques sont souvent insuffisants. Lanitruration, avec couche de combinaison, permet cependant derésoudre efficacement certains problèmes [3] (culbuteurs, pous-soirs, arbres à cames, pièces de suspension hydraulique...) au-delà,des revêtements d’adaptation sont nécessaires : phosphatation,MoS2, etc.

Il arrive également que les phénomènes d’usure soient associésà de la corrosion : dans ce cas, on s’orientera vers des solutions de

type nitruration oxydée (tiges de vérins, mécanismes exposés telsles pièces de serrures ou d’essuie vitre, etc.) ou vers des traitementsde surface durs (chromage, nickelage composite) : tiges d’amor-tisseurs.

3.3 Pièces travaillant au choc

Il faut, lorsque les exigences sur les autres critères de tenue sontmodestes, rechercher les solutions garantissant la meilleuredéformabilité et la meilleure résilience.

Les exigences peuvent en avoir un caractère juridique : démontrerqu’une pièce s’est déformée avant rupture, c’est garantir que larupture est consécutive à un accident, mais n’en est pas la cause.

Les solutions les plus satisfaisantes dans ce domaine sont, pourles aciers, les recuits ou les trempes + revenu à hautes températuresqui garantissent un grain fin et des températures de transition assezbasses (alors qu’un refroidissement contrôlé après forgeage peutamener cette température de transition proche de la températureambiante, avec des risques en utilisation dans les pays froids). Lesapplications concernées sont les pièces de direction : rotules, pivots,triangles, boîtiers de rotules qui sont des pièces de sécurité.

Le développement d’aciers à dispersoïdes ferrito-perlitiques ausilicium et titane permet aujourd’hui d’atteindre des performancessatisfaisantes sans traitement thermique.

Pour les pièces travaillant au choc et en fatigue, il faudra rechercherdes compromis acceptables : la nitruration est la solution la plus per-formante, à condition qu’elle soit appliquée après trempe + revenuen évitant, sur les aciers au Cr-Mo, les températures de revenucritiques (autour de 500 oC). Elle reste une solution chère du fait del’utilisation d’aciers très alliés et de gammes de traitements ther-miques longues.

Plus couramment, on utilise la cémentation, la carbonitrurationou l’induction. Après cémentation, comme après trempe parinduction, un revenu compris entre 150 et 250 oC permet, le plussouvent, de plus que doubler la tenue au choc sans affecter de façoncritique la tenue en fatigue et à l’usure (crémaillères, pignons dedirection, satellites et planétaires de différentiel, triaxes detransmission).

Dans le cas de la carbonitruration, on adaptera le milieu de trempeaux exigences ; nitrate quand le critère choc est déterminant(pignons de première ou de marche arrière par exemple), huile froidequand c’est la fatigue de surface qui est l’exigence la plus importante.Le développement de dentures forgées permet par ailleurs un gainsensible en tenue au choc.

4. Critères industrielsde choix des traitements thermiques

Les besoins fonctionnels des pièces définissent ou orientent versdes choix de traitements de renforcement qui peuvent ne pas êtreuniques. Le choix pourra être et sera souvent orienté également pardes considérations industrielles.

Nous évoquerons dans la suite du document six critères quidoivent être pris en compte dans le contexte industriel de grandesérie :

— flux tendu ;— coût et productivité ;— flexibilité ;— reproductibilité ;— environnement ;— maîtrise dimensionnelle.

�



4.1 Flux tendu

Il s’agit aujourd’hui de réduire au minimum les stocks et les manu-tentions interopératoires. Comme le traitement thermique se situegénéralement en cours de gamme (soit sur le brut, soit sur pièceen cours d’usinage) et s’intercale avec des opérations généralementréalisées de façon unitaire, le flux tendu va privilégier les solutionsde traitement de courte durée et pièce à pièce : trempe, recuit ourefroidissement direct sur les bruts, trempe par induction sur lespièces usinées. Ce système a cependant un certain nombre delimites :

— capacitaires : il faut que le cycle de traitement soit d’une duréecohérente avec les autres opérations, sinon on devra multiplier lenombre d’installations (ou leur longueur pour le refroidissementcontrôlé en forge) et de toute façon rompre le flux : dans ce cas untraitement différé sur installation de grosse capacité travaillant enconvoi peut redevenir préférable ;

— techniques : toutes ces pièces ne sont pas compatibles avectous les traitements (couplage en induction, déformation à la trempe,etc.).

4.2 Coût et productivité

Le coût d’un traitement thermique intègre d’une part l’amortis-sement du matériel, d’autre part le coût d’exploitation. En fonctiondes volumes à produire, on pourra ainsi être amené à opter soit pourdes investissements élevés à faible coût d’exploitation, soit vers desinvestissements plus faibles, bien que le prix de revient de fabricationsoit supérieur.

Contrairement à une idée généralement répandue, l’énergie resteun critère peu déterminant pour le choix d’un traitement thermique :les retours d’investissement pour des technologies économes enénergie étant toujours très longs.

Pour les traitements thermochimiques, les grandes lignescontinues, capables de cadences supérieures à 1 t / h restentaujourd’hui sans concurrent en coût et productivité, malgré les gas-pillages en énergie et en fluides qu’elles impliquent. Un renché-rissement sensible de l’énergie pourrait faire évoluer ce point de vue.

4.3 Flexibilité

Pour certaines fabrications, notamment pour les cadencesmoyennes il est souhaitable de privilégier des technologies flexibles,c’est-à-dire faciles à paramètrer et capables de traiter des piècesdifférentes : dans ce cas de petites unités polyvalentes serontpréférables à des installations de grandes cadences et à hauteproductivité.

On choisira le four à charge plutôt que la ligne continue, lacémentation plutôt que l’induction, le recuit différé plutôt que leconvoyeur de refroidissement derrière la presse.

4.4 Reproductibilité

Cet objectif permet, en réduisant les tolérances de fabrication,d’une part de progresser en qualité d’autre part de gagner en pro-ductivité en ayant la possibilité de réduire les coefficients de sécuritésur les temps de cycle.

4.5 Environnement

Le critère industriel prend une importance croissante : on peutl’aborder sous deux aspects.

Exemple : pour le renforcement d’un vilebrequin en acier, il peutêtre intéressant de s’orienter vers la nitruration, lorsqu’il s’agit decadences de l’ordre de la centaine par jour car, à ce niveau, on satureune installation avec un faible investissement, alors que des cadencessupérieures à 1 000/jour permettent de saturer une installation de trai-tement par induction, avec un prix de revient fabrication sensiblementplus faible.

Exemples :

a ) Recuit et refroidissement unitaire contrôlé sur bielles : la figure 9met en évidence les dispersions de duretés obtenues d’une part lorsd’un recuit en four à charge, d’autre part lors d’un refroidissementunitaire.

b ) Carbonitruration : si une installation donne un écart de type de0,04 mm sur la profondeur conventionnelle, il faudra se centrer sur0,37 mm pour garantir 0,25 mm mini à m – 3 σ. si cet écart type est de0,05 mm, il faudra se centrer sur 0,40 mm. Les couches croissant enVΞ, cela signifie augmenter le temps de cycle de 17 % : on voit l’impactsur les critères coût et productivité.

Figure 9 – Comparaison des duretés obtenues par recuitet par refroidissement unitaire contrôlé sur des bielles en acier 45Mn5



■ Sécurité

● Dans le domaine des atmosphères, ce point de vue a faitobstacle tenace au développement des nitrurations gazeuses enfours batch ou à passage, par crainte de l’utilisation de l’hydrogènedans des domaines de températures propices aux mélangesdétonants.

Ce critères explique par ailleurs que les lignes ou cémentation oude carbonitruration se situent toujours dans des ateliers spécifiquesavec une formation appropriée des personnels et des procéduresde sécurité adaptées.

Ces éléments jouent en faveur de technologies d’inductions,ioniques ou basses pressions, où le danger lié aux atmosphères estsupprimé ou sensiblement réduit.

● Dans le domaine des milieux de trempe : on note le recul de l’uti-lisation des huiles remplacées, chaque fois que cela est possible pardes polymères aqueux : c’est le cas dans les forges, et même dansles ateliers d’outillage où ces produits donnent des résultatsprobants, en adaptant leur concentration, y compris sur des acierstrès alliés (Z 160 CDV 12 par exemple).

■ Pollution

Cet aspect se traduit par le recul des bains de sels, malgré leurintérêt pour la trempe étagée et par des réglementations de plus enplus sévères et contraignantes pour les produits de dégraissage etde lavage.

Ces éléments orientent les recherches vers la préparation dessurfaces par voie sèche.

4.6 Maîtrise dimensionnelle

Selon la géométrie des pièces et le stade où s’effectue le traite-ment, on pourra être amené à opter pour des solutions sans austéni-tisation ou sans trempe, bien qu’elles soient plus onéreuses et moinsproductives.

Dans un autre domaine, la nitruration peut permettre de garantirdes tolérances inaccessibles par d’autres procédés.

Les traitements localisés (induction) peuvent également permettreune bonne précision dimensionnelle d’ensemble, notamment parceque certaines opérations d’usinage (ou de redressage) peuvent êtreassurées après traitements thermiques.

5. Principales applications industrielles

5.1 Traitements dans la masse

5.1.1 Recuits

Ces opérations sont destinées à donner un état de référence soitpour les opérations ultérieures, soit parfois pour l’utilisation finale.

■ Pour les aciers

— On effectue dans certains cas, chez l’aciériste un recuit d’adou-cissement pour que la barre soit cisaillable à froid : c’est surtout lecas pour les barres de petites dimensions en acier faiblement alliéà refroidissement trop rapide.

— Le développement du forgeage à froid peut imposer égalementdes opérations de globulisation, assez coûteuses. On recherchegénéralement soit l’utilisation d’acier à carbone assez bas, soit l’opti-misation de la gamme de forgeage, et notamment le mi-chaud, pouréviter cette opération, qui a, de plus, un effet néfaste sur les traite-ments ultérieurs, particulièrement l’induction où le cycle rapide nepermet pas le remise en solution complète des carbures.

En forge à chaud, l’utilisation des recuits permet :— d’assurer une structure d’usinage reproductible (normalisation

pour les aciers au carbone, recuit isotherme pour les aciers faible-ment alliés) ;

— d’assurer une structure initiale reproductible pour les traite-ments ultérieurs (et particulièrement l’induction où la marque de lastructure initiale est déterminante) ;

— d’assurer des caractéristiques d’emploi.

Les objectifs de flux tendus développés au paragraphe 4.1, lamaîtrise de la thermique du forgeage, l’utilisation de nuances àdispersoïdes ou avec addition de Ti, la bonne connaissance des loismétallurgiques appuyées sur une modélisation de plus en plusprécise permettent maintenant de remplacer progressivement lesrecuits par des refroidissements directs (figure 10).

Outre les avantages industriels déjà évoqués, ils permettent, parleurs caractères unitaires, d’assurer une bonne reproductibilité desrésultats métallurgiques.

On sera amené, selon la masse des pièces, la nuance d’acier etles caractéristiques demandées :

— soit à utiliser un simple refroidissement naturel : aciers àdispersoïdes pour triangles ou moyeux par exemple ; dans ce cas,le refroidissement se fait sur un convoyeur jusqu’à ce que la tem-pérature de fin de transformation soit atteinte et les pièces sontensuite regroupées ;

— soit à utiliser un refroidissement ralenti pour tenir une four-chette de dureté précise : dans ce cas les pièces passent dans unpseudo four à passage qui permet de régler la loi de refroidissement(cas des bielles en acier 45M5). La constance des caractéristiquesest également assurée par la maîtrise de l’élaboration : précision dela teneur en carbone et d’un critère de reproductibilité des dia-grammes TRC [4] comme le manganèse équivalent

(α Mn + β Cr + γ Mo + δ Ni + … = Cte)

— soit plus rarement à utiliser un refroidissement accéléré parsoufflage en cours de refroidissement.

Exemples :

Pour les pièces forgées : le remplacement de la trempe par un refroi-dissement contrôlé permet, dans le cas de bielles, de supprimer l’opé-ration de calibrage, par ailleurs pénalisante sur la tenue en fatigue.

De même, pour certaines géométries de triangles de suspension àfort élancement, on a dû abandonner la trempe, pourtant plus perfor-mante en limite d’élasticité, pour une solution acier à dispersoïdes, lesdéformations étant importantes et aléatoires.

Exemple : la nitruration ionique permet de garantir un faux rond infé-rieur à 0,02 mm sur un vilebrequin, ce qu’aucune autre technologie detraitements thermiques ne peut assurer.

Exemple : sur une noix de transmission on saura assurer la trempepar induction de la partie extérieure, puis le brochage précis de l’axe.



■ Pour les fontes GS la situation est relativement analogue : lesopérations de recuit sont destinées à assurer une structure repro-ductible (usinabilité, trempe par induction) mais également àdétensionner et à remettre des carbures en solution.

La tendance est également à utiliser de la fonte GS brute de couléeen adaptant les analyses par ajout de cuivre ou de manganèse(vilebrequins).

5.1.2 Traitements bainitiques

Les traitements sont traditionnellement peu employés car dansleurs définitions classiques, ils font appel aux bains de sels, avecles inconvénients évoqués au paragraphe 4.5.

Exception notable, certaines pièces de boulonnerie ou de sécurité(rondelles, crochets de ceinture de sécurité), la bainite étant beau-coup moins sensible au phénomène de fragilisation par l’hydrogèneque la martensite revenue.

Plus récemment de nouvelles applications se sont développées,par traitement direct en forge : vilebrequin en acier 35MnV7 : la struc-ture bainitique est obtenue par refroidissement accéléré jusque vers500 oC, puis passage unitaire en tunnel jusqu’à la fin de la trans-formation bainitique : on obtient ainsi une structure de bainite supé-rieure d’une résistance de l’ordre de 1 000 MPa apte à la fois à lanitruration et à la trempe par induction et d’usinabilité satisfaisante.

Une approche analogue est également possible sur les fontes GS.La structure bainitique peut être obtenue soit à la coulée, mais avecdes conséquences très néfastes sur l’usinage, soit sur ébauche maisà condition de maîtriser les déformations : la technologie de trempeau nitrate peut alors être remplacée par de la trempe à l’azote souspression, suivie d’un palier isotherme.

5.1.3 Trempe et revenu

Cette métallurgie traditionnelle, bien que conférant le meilleurcompromis résistance/limite, d’élasticité/résilience est aujourd’huien nette régression sur les pièces mécaniques, du fait de laconcurrence par les aciers micro-alliés, souvent mieux placés enfatigue et d’élaboration simplifiée.

Pour les pièces qui sont encore trempées, notamment pour desraisons de limite d’élasticité on note les deux tendances essentiellessuivantes :

— remplacement de l’huile par les polymères aqueux ;— développement de la trempe directe après forgeage.

Cette technique implique d’une part le choix d’acier à faible teneuren carbone ( %) pour maîtriser le problème des tapures detrempe, d’autre part un contrôle étroit du procédé de forgeage etnotamment de l’aspect température.

Les pièces ainsi obtenues donnent généralement une résilienceun peu plus faible, mais la trempabilité est améliorée du fait de latempérature initiale élevée, ce qui a permis l’essor de nuanceséconomiques, du type 20Mn5 ou 20MnB5.

Le revenu restant une opération séparée et donc rompant ànouveau le flux, on a vu se développer des nuances à très bascarbone, capables de donner leurs caractéristiques d’emploi entrempe directe sans revenu : on obtient ainsi des structures baini-tiques de 1 000 à 1 100 MPa avec une limite d’élasticité MPa,usinables et avec une résilience tout à fait satisfaisante.

Les nuances ainsi développées sont de type 5CrB4 ou 5MnCr4 etdevraient donner un regain d’intérêt à la trempe sur les pièces deforge.

Cet intérêt pourrait d’ailleurs être accru si l’on savait progresserdans le domaine de l’usinage dur qui reste aujourd’hui le critèrelimitant pour l’utilisation d’aciers à haute résistance en grande série(exception faite naturellement des aciers à ressorts).

La trempe avec ou sans revenu est très peu utilisée par contresur les fontes et les aciers frittés, car le gain de performance est faibledu fait de la présence du graphite et des porosités et la trempe amènede plus une altération dimensionnelle peu compatible avec laphilosophie des pièces frittées.

5.2 Traitements superficiels

Le seul traitement industriellement développé est le traitementpar induction, dont l’essor est croissant du fait qu’il répond à la plu-part des grandes objectifs de la production automobile moderne :

— cycles courts ;— traitements unitaires ;— matériaux économiques ;— pollution et risques réduits.

Le traitement s’applique aussi bien aux aciers qu’aux fontes ouaux aciers frittés, pour peu que la teneur en carbone soit suffisantepour assurer une dureté de martensite correcte.

Selon la géométrie des pièces et la nature des zones à traiterplusieurs technologies peuvent être utilisées.

■ Pour les pièces de géométrie simple (cylindrique) sur lesquelleson recherche un traitement de révolution, on pratique la trempe audéfilé.

L’inducteur est constitué d’un certain nombre de spires et d’unedouche annulaire implantée sur l’arrière. L’espace inducteur doucheréglable permet le retard douche.

Les autres paramètres de réglage sont la puissance et la vitessede défilement. En trempe au défilé, on travaille généralement enmoyenne fréquence (5 à 50 kHz) pour traiter des profondeurs de 1à 5 mm.

Le procédé est contrôlé généralement au niveau du circuit d’ali-mentation électrique primaire et des paramètres mécaniques. Lescontrôles en boucle fermée par la température sont peu développés.

Ils se heurtent aux problèmes de la pollution par les fumées etles vapeurs.

Figure 10 – Évolution des traitements thermiques directs en forge

Quelques applications types : les tiges d’amortisseurs, les crémail-lères de direction, les barres de torsion, les axes de satellites et arbresdivers.

� 0,20

� 800



La trempe s’effectue généralement à l’eau, pure ou des adjuvants(polymères) selon la matière et la complexité des pièces à traiter.

Une des difficultés en trempe ou défilé est le maintien des pièces,notamment lorsque la symétrie est imparfaite (cas des crémaillèresde direction). Il faut alors concevoir des machines de présentationcomplexes avec redressage simultané.

La trempe au défilé peut être suivie d’un revenu au défilé : lestempératures pratiquées sont alors 100 à 150 oC supérieures à cellesdes températures en four pour des maintiens de l’ordre de 1 min(exemple sur une tige d’amortisseur on fera un revenu au défilé vers350 oC pour avoir une métallurgie équivalente à celle d’un revenu1 h30 en four à 200 oC). Ici la température peut être aisémentcontrôlée par lunette optique, ce qui assure un bon contrôle duprocédé.

■ Le plus souvent, la trempe au défilé n’est pas compatible avec lespièces à traiter et on développe dans ce cas des inducteurs de forme.

Le traitement peut alors se faire soit complètement en statique,lorsqu’il s’agit de zones à tremper réduites (patins de culbuteurs,bagues de synchroniseurs, pistes, doigts et rampes diverses...) soitavec rotation de la pièce lorsqu’il s’agit de surfaces de révolution(vilebrequins, fusées, pignons...), soit en pas à pas lorsqu’il s’agitde zones répétitives (crémaillères traitées dent par dent parexemple).

On utilise dans ce cas des inducteurs-douches lorsqu’il s’agit detrempe à l’eau, ou la trempe par immersion lorsqu’il s’agit de trempeà l’huile (de plus en plus rare).

En fonction des profondeurs à traiter, on utilisera préférentiel-lement soit la trempe moyenne fréquence (profondeur > 1 mm),soit la trempe haute fréquence (200 à 400 kHz pour lesprofondeurs < 1 mm).

La figure 11 représente deux technologies différentes de traite-ment par induction sur crémaillères de direction.

Les caractéristiques recherchées dépendent naturellement dumatériau trempé. Pour les aciers la norme de traitement par induc-tion précise en fonction de la teneur en carbone la dureté exigible.Pour les fontes et les aciers frittés, les caractéristiques de dureté sontexprimées directement sur le plan selon les pièces.

Quelques pièges sont à éviter :— ainsi tremper des pièces tubulaires induit généralement des

contraintes de traction à l’intérieur des tubes, qui peuvent êtrenéfastes à la tenue en fatigue : il faut donc s’assurer que lechargement n’est pas trop élevé à l’intérieur du tube ;

— il faut également, surtout sur les pièces complexes ou desécurité, veiller à l’absence de tapures de trempe par un contrôlemagnétoscopique adapté.

■ La technologie du traitement par induction évolue actuellementvers des applications plus complexes :

— l’utilisation de sources de très haute puissance (500 kW à1 MW) associée aux hautes fréquences permet de réaliser des trai-tements par impulsions de quelques centaines de ms, ce qui rendpossible le traitement de géométries de types dentures (trempe decontour) avec une optimisation du profil de contraintes et une défor-mation minimale ;

— le contrôle de la loi de trempe peut également être envisagépar l’utilisation de pulvérisateurs air/eau, permettant une optimi-sation des caractéristiques métallurgiques et dimensionnelles.

■ Les autres techniques de trempe superficielle n’ont pas à ce joureu de débouché industriel notable.

Le faisceau d’électrons est pénalisé par la nécessité de travaillersous vide et tout comme le laser nécessite des investissements supé-rieurs à l’induction pour une productivité inférieure ou égale.

De plus, l’absence de trempe par un liquide se traduit par des carac-téristiques en fatigue sensiblement inférieures, ce qui ne rend cessolutions intéressantes que pour les problèmes de frottement/usure.

5.3 Traitements thermochimiques

Il s’agit dans l’industrie automobile essentiellement de lacémentation et de la carbonitruration, et pour une plus faible partde la nitruration.

■ Cémentation et carbonitruration

Traditionnellement la cémentation, associée à la trempe à l’huilefroide, est la solution métallurgique utilisée pour les pièces detransmission : pignons, arbres, couronnes, satellites/planétaires,composants de joints homocinétiques. Depuis les années 50 lacarbonitruration s’est développée pour le traitement de couchesd’épaisseurs mm, associée à l’utilisation d’aciers mi-durs (0,25à 0,30 % en masse C) et à la trempe chaude (huiles chaudes ou selsfondus nitrates + nitrites).

L’utilisation de la carbonitruration a permis de gagner environ 10 %en tenue en fatigue, avec des déformations généralement moindreset une meilleure productivité.

L’utilisation de la trempe au nitrate (240 oC) présente l’avantaged’assurer le meilleure profil de contraintes et donc de donner destenues en fatigue favorables associées à une bonne tenue au choc.Par contre la tenue au pitting est inférieure à la trempe à l’huile. Parailleurs, industriellement, l’utilisation des bains de sels pose desérieux problèmes d’effluents, c’est pourquoi on étudie aujourd’huides huiles travaillant vers 200 à 250 oC.

Les installations utilisées sont des fours à passage de grandecapacité (> 30 plateaux) assurant des productions instantanées supé-rieures à 1 t/h.

Figure 11 – Différentes techniques de traitement par induction

Exemple : aujourd’hui, on utilise donc la carbonitruration surl’ensemble de la pignonnerie, la cémentation restant d’usage pour lescouches épaisses (triaxes, cages, noix, rouleaux de roulements, axesde pistons).

� 0,6



Les

atmosphères

sont assurées par un support azote-alcool ou gazendothermique avec addition en régulation de potentiel d’un hydro-carbure (généralement du propane) [5].

Le

contrôle des atmosphères

se fait la plupart du temps par unesonde à oxygène et un analyseur infrarouge pour CO.

À partir du calcul du potentiel carbone instantané, on agit sur ledébit d’addition du propane (ou éventuellement de l’air) pour assurerune teneur en carbone superficielle reproductible.

L’

inconvénient

de ces grandes lignes continues est leur inertie etleur manque de flexibilité : les fours doivent être maintenus en tem-pérature et en atmosphère protégées en permanence. De plus, ilstravaillent sur un réglage standard en potentiel carbone et en tempsde cycle, comme en conditions de trempe : il n’y a, de ce fait, paspossibilité d’adapter le traitement en fonction de la masse de la pièceou de ses exigences fonctionnelles. Ce type de traitement rendégalement la traçabilité matière très difficile à assurer.

Il peut donc être préférable, lorsque les pièces sont très chargéesmécaniquement, d’optimiser les réglages, ce qui est beaucoup plusfacilement réalisable dans des fours à charge où l’on peut maîtriserle profil carbone à la demande, et faire varier les réglages d’unecharge à l’autre. On peut en effet faire varier potentiel carbone ettempérature en cours de cycle.

Sauf application très exceptionnelle, on pratique la trempe directeaprès cémentation ou carbonitruration, ces opérations étant suiviesd’un lavage et d’un grenaillage.

Les dentures sont utilisées brutes de traitement, ce qui impliquedes corrections dimensionnelles avant traitements thermiques pourtenir compte des déformations.

Une nouvelle technologie se développe aujourd’hui : la

cémentation sous pression réduite

, qui élimine les défauts de typeoxydation de surface et se prête parfaitement à une bonne maîtrisedes profils en carbone.

L’enrichissement en carbone des pièces est obtenu par dissocia-tion directe du propane, la vitesse d’enrichissement étant maîtriséepar la pression, la température et les temps de cycle.

La trempe peut être effectuée soit à l’huile, soit au gaz sous pres-sion. Cette dernière solution bien qu’intrinsèquement moins perfor-mante, permet en adaptant la trempabilité de l’acier, une très grandeflexibilité dans les lois de trempe, et donc la possibilité de s’adapterpièce à pièce. De plus, les déformations sont sensiblement réduitespar rapport aux trempes classiques. Enfin, l’absence d’effluents enfait un outil intégrable dans un atelier de mécanique.

Cette solution est néanmoins plus onéreuse en investissement queles fours continus traditionnels, et sa productivité est moindre, bienque les temps de traitement soient considérablement réduit( %) car les charges doivent être relativement aérées.

D’une façon générale, on recherchera plutôt la carbonitrurationpour les couches d’épaisseurs faible à moyenne, lorsqu’il n’y a pasde reprise d’usinage postérieure et la cémentation pour les couchesplus épaisses, éventuellement avec rectification, les techniques duvide devant à terme s’adapter à l’une ou à l’autre solution.

■

Nitruration

Cette technologie [3] performante par ses propriétés de fatigue etde tribologie et la qualité dimensionnelle qu’elle assure, reste péna-lisée par deux aspects :

— la nécessité le plus souvent d’utiliser des aciers alliés prétraités,donc onéreux ;

— la durée des traitements, peu compatible avec les grandesséries.

Il faut toutefois faire abstraction des nitrurations

douces

,c’est-à-dire pour lesquelles seules les propriétés de frottement sontrecherchées. Ces solutions qui utilisent les propriétés des nitruresde fer sont applicables aussi bien sur aciers au carbone que sur fontesou sur aciers frittés.

La

nitruration douce

peut être réalisée selon diverses techno-logies.

●

Nitruration gazeuse

: à partir de NH

3

pur (nituration classique) :on a peu de maîtrise de la qualité et de l’épaisseur des couches et lescycles sont toujours longs. Des progrès sensibles sont obtenus paraddition de carbone et ou d’oxygène : on stabilise ainsi la formationdes couches de nitrure

ε

(Fe

2–3

N) hexagonales tout en accroissant lacinétique.

L’inconvénient est l’utilisation d’atmosphères explosives dans desfours batches ou des fours continus, ce qui implique des procéduresde sécurité très drastiques.

●

Nitruration en bain de sel

: c’est la solution sans doute la plusproductive (cycles 1 h, homogénéité des résultats, flexibilité),mais on ne sait réaliser qu’un seul type de couche et le problème detraitement des effluents est assez lourd à gérer. C’est d’ailleurs parle développement de bain d’oxydation des cyanures que l’on a déve-loppé la technique de nitruration oxydée, très perfomante vis-à-visde la corrosion : la couche supérieure de nitrure

ε

, poreuse, est recou-verte d’un film d’oxyde de fer Fe

3

O

4

d’aspect noir qui donne descaractéristiques de tenue en corrosion analogues à un chrome durélectrolytique.

Des variantes ont été mises au point avec addition de soufre etune teneur en cyanure réduite. La limitation de la technologie bainde sel est la température (on ne sait guère descendre en dessousde 540

o

C) et la vitesse de croissance de la couche blanche, qui peutêtre pénalisante pour les traitements longs sur aciers alliés. Parailleurs la nitruration en bain de sel n’est pas compatible avec lespièces frittées (sel dans les porosités).

●

La

nitruration ionique

: cette technique permet, en principe, decouvrir un vaste domaine de températures (à partir de 350

o

C) enayant une bonne maîtrise de la nature des couches obtenues. Il suffitpour cela de jouer sur la composition du gaz introduit dans le plasma.On peut donc réaliser soit de la nitruration douce, soit de la nitrura-tion de diffusion, soit une association des deux en maîtrisant l’épais-seur de la couche de combinaison, ce qui est souvent souhaitablepour des pièces travaillant en frottement sous assez forte pression decontact (culbuteurs, poussoirs, arbres à cames...) pour éviter lesmicro-écaillages.

La nitruration ionique s’applique bien aux séries reproductibles,mais son emploi est plus délicat pour des charges de compositionaléatoire, à cause des écarts de températures et des effets de cathodecreuse toujours possibles, lorsque les paramètres de pression nesont pas optimisés.

De plus, cette technologie impose un chargement des pièces trèsordonné avec une densité limitée.

De nouvelles techniques se développent, utilisant la technologiedu vide sans les plasmas (

nitruration basse ou haute pression

). Ellesdevraient permettre d’accroître la productivité de la nitruration faceaux traitements concurrents.

La figure

12

donne une image de la répartition actuelle desdifférents traitements thermiques dans le véhicule.

Exemple :

la carbonitruration est couramment utilisée sur les piècesfrittées pour résoudre des problèmes de frottement, malgré uneincidence défavorable sur la précision dimensionnelle.

� 50

Exemple :

de nombreuses applications se sont développées surtiges de vérins, mécanismes de carrosserie, etc.

Exemple : parmi les applications connues citons les vilebrequins enaciers, les poussoirs (fonte blanche), des arbres à cames, des pignonsd’entraînement en acier fritté, les boîtiers de différentiel en fonte GS.

�



6. Conclusion

■

Le choix des traitements thermiques dans l’automobile est essen-tiellement dicté par la logique des grands séries.

■

Il est pour l’essentiel destiné à résoudre des problèmes de tenueen fatigue, usure-frottement et choc et à préparer les matériaux àune mise en œuvre ultérieure.

Les solutions qui sont les plus développées sont celles qui sontle plus compatibles avec les flux tendus.

De plus en plus sont également prises en compte les technologiesqui assurent une bonne maîtrise dimensionnelle et qui posent lemoins de problèmes de sécurité et d’effluents. De ce point de vueles procédés s’appuyant sur la technologie du vide devraientcontinuer à se développer.

Figure 12 – Part des différents traitements thermiquesdans les pièces mécaniques d’un véhicule


Do

c. M

1 4

05

10 -

199

6

POUR

EN

S

Choix du traitement thermique des matériaux ferreux pour l’automobile

par Yves POURPRIXChef de service Direction des matériaux et technologie de PSA

AVOIR

PLUS

BibliographieRéférences[1] DANG VAN (K.). – Comportement à la fatigue

des métaux. Sciences et Techniques del’Armement Mémorial de l’artillerie française,1er fasc. p. 113-116 (1973).

Dans les Techniques de l’ingénieur[2] BARRALIS (J.), CASTEX (L.) et MAEDER (G.).

– Précontraintes et traitements superficielM1180. Traité Matériaux métalliques, sept.1999.

[3] GHIGLIONE (D.), LEROUX (C.) et TOURNIER(C.). – Pratique des traitements thermo-chimiques M1227. Traité Matériaux métal-liques, janv. 1996.

[4] MURRY (G.). – Transformation dans les aciersM1115. Traité Matériaux métalliques, sept.1998.

[5] KOSTELITZ (M.). – Atmosphères industriellesM1220. Traité Matériaux métalliques, juil.1988.

Concurrence des matériauxBLOWE (B.). – Acier automobile : une longueur

d’avance dès la conception. Rev. de Traitementsthermiques no 286 p. 55 (1995).

Évolution des aciersREZEL (D.), DEBRIE (J.J) et POURPRIX (Y.). – Appli-

cation de la trempe directe sans revenu aux aciersde forge à basse teneur en carbone. Rev. de Trai-tements thermiques no 279, p. 53 (1995).

BELLUS-POLLY PICHARD. – Intérêt d’aciers baini-tiques traités dans la chaude de forge. Rev. deTraitements thermiques no 285, p. 43 (1995).

BRUNET (J.C.). – Le développement des aciers à dis-persoïdes. Rev. Traitements thermiques no 251,p. 33 (1991).

Traitement mécaniquesLAWERENZ-EKIS. – Grenaillage de précontrainte

des engrenages. Rev. de Traitements thermiquesno265, p. 31 (1993).

Cémentation/CarbonitrurationCOURATIN (D.). – Caractérisation des différents

traitements thermochimiques ; effets sur lafatigue de surface des pièces automobiles. Rev.de Traitements thermiques no 282, p. 28 (1991).

DAWES (C.). – La conception des pièces dans lesecteur automobile. Rev. de Traitements ther-miques no 251, p. 43 (1991).

CRIQUI (B.) et GUIMIER (A.). – Intérêt et critères dechoix des traitements superficiels. Rev. de Trai-tements thermiques no 202, p. 9 (1986).

PRUNEL (G.). – Cémentation ionique, cémentationbasse pression et cémentations gazeuses. Rev.de Traitements thermiques no 289, p 55 (1996).

MARTIN (M.). – Le traitement thermique par induc-tion. Propriétés d’emploi. Rev. de Traitementsthermiques no 280, p. 29 (1995).

LESTRAT (F.). – Trempe après chauffage induction.Les erreurs à éviter. Rev. de Traitements ther-miques no 281, p. 37 (1995).

Milieux de trempeBETEND (J.P.), MULOT (A.), MOREAU (F.) et CLÉ-

MENT (B.). – Utilisation des polymères dans latrempe des aciers. Rev. de Traitements ther-miques no 242, p. 41 (1990).

Traitements directsMULOT (A.), MAUVEAUX et ORTOLLAND. – Possi-

bilités offertes par l’utilisation d’aciers adaptésaux traitements thermiques dans la chaude deforge. Rev. de Traitements thermiques no 206,p. 61 (1986).

NormalisationTraitements thermiques et mécaniquesNormes PSA

B15 2240 Juin 83 Grenaillage de renforcement

B15 2150 Janv. 83 Trempe superficielle

B15 2210 Mars 81 Cémentation

B15 2220 Mars 81 Carbonitruration ou cyanuration

B15 2240 Fév. 85 Nitruration

B15 2250 Fév. 85 Nitruration gazeuse

B15 2260 Fév. 85 Nitruration ionique

B15 2270 Fév. 85 Nitruration douce en bain de sel

B15 2330 Mars 80 Recuit isotherme

B15 2810 Juin 91 Aciers de construction – Nuance 16 NCD 13 – Traite-ments thermiques

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copieest strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques Doc. M 1 405 − 1

CHOIX DU TRAITEMENT THERMIQUE DES MATÉRIAUX FERREUX POUR L’AUTOMOBILE ______________________________________________________________POUR

EN

SAVOIR

PLUS

Fabricants(non exhaustive)

Fabricants de matérielAICHELIN (fours)

A.T.I. (fours)

CECF – FOFUMI (fours)

CELES (induction)

CFEI (induction)

ECM (fours de traitement)

INDUCTOTHERMIE (induction)

IPSEN Industrie

LEYBOLD DURFERRIT (fours de traitement)

PROCESS – INDUSTRIE (fours...)

SCFEB (fours)

SERTHEL (fours générateurs)

SOLO (fours)

THERMIDOR (fours)

Traiteurs à façonAubert et Duval (traitements thermochimiques)

Balzers (vide dépôts)

Groupe HIT (tous traitements)

IONITEC (dépôts)

METAL IMPROVEMENT (grenaillage)

METATHERM (tous traitements)

NITRUVID (nitruration)

SATT (tous traitements)

Techniques surfaces (traitements de surface)

Groupe THERMILYON (tous traitements)

Traitements thermiques Marquet

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copieDoc. M 1 405 − 2 est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques

Documents

M1405.pdf