INTRODUCTION

UN TRAITEMENT THERMIQUE ?

Pour quoi faire ?

Les opérations de traitement thermique sont destinées à modifier les caractéristiques des

matériaux métalliques. Elles agissent principalement sur :

• la dureté

• la résistance à la rupture

• la résilience ou la ductilité

Elles ont aussi un effet sur :

• les propriétés tribologiques (frottement)

• la résistance à la corrosion

• les propriétés magnétiques

• la stabilité dimensionnelle

Les traitements thermiques se répartissent en deux grandes catégories :

• les traitements de durcissement

• les traitements d'adoucissement

Les traitements thermiques se classent également selon qu'ils ont :

• pour effet de modifier en profondeur les propriétés du matériaux dans toute la

section ou toute la masse du produit traité : traitement dans la masse;

• pour effet de modifier superficiellement les propriétés du matériau sur une

profondeur limitée : traitements superficiels ou traitements thermiques de surface.

Durcir ?

Pourquoi ?

• pour augmenter la dureté

• pour augmenter la résistance aux sollicitations mécaniques (fatigue, frottement,

usure).

Comment durcir ?

• les traitements thermiques dans la masse s'appliquent aux matériaux subissant des

transformations par variation de la température (bases fer, aluminium, cuivre, titane);

• les traitements thermiques superficiels s'appliquent essentiellement aux aciers et aux

fontes;

• les traitements mécaniques s'appliquent à tous les matériaux métalliques d'autant

plus facilement que la dureté initiale est faible.

LE TRAITEMENT SUPERFICIELS DES ACIERS

ou

TRAITEMENTS DE SURFACE PAR VOIE THERMIQUES

I PROBLEME

1.1 Problématique :

Par évidence, la surface est la frontière des sollicitations, elle est la région qui reçoit le plus

d’agressions et de sollicitations ; c’est pourquoi la quasi-totalité des avaries des pièces mécaniques

s’amorcent superficiellement.

Il est donc très important de veiller aux caractéristiques superficielles.

1.2 Modes de détérioration des pièces mécaniques

• Toutes les formes de corrosion sont d'abord superficielles, d'où les améliorations

apportées par une protection de la surface.

• Toutes les initiations des rupture par fissuration progressive ou fissuration par

fatigue, commencent près de la surface

• Ces détériorations sont dues aux défauts superficiels d'ordre géométriques (gorge) ou

d'ordre métallurgique (oxydation), aux états de surfaces.

1.3 Solutions d'amélioration du comportement d'une surface

1- revêtement ou dépôt (revêtement dur, protecteur, antigrippant, isolant)

2- durcissement superficiel

3- mise en précontrainte superficielle

4- conversion chimique superficielle

II TREMPE SUPERFICIELLE

2.1 Procédé

Le durcissement superficiel par trempe

après chauffage superficiel permet

d'obtenir la transformation martensitique de

trempe sur la zone ainsi transformée après

refroidissement rapide.

Le chauffage par induction

électromagnétique est une technique de chauffage de forte puissance. C'est le moyen le plus

répandu pour obtenir un échauffement de quelques dixièmes à quelques millimètres de profondeur.

2.2 Choix des aciers

Tous les aciers sont susceptibles d'être chauffés superficiellement. Cependant, un certain

nombre de critères déterminent le choix des nuances à employer :

• la teneur en carbone (limitée à 0,55% en général pour éviter les tapures de trempe)

qui determine la dureté.

• Les éléments d'alliages interviennent peu, les nuances non alliés convienntent.

• La profondeur de la couche durcie.

2.3 Trempe ou trempe superficielle ?

critères de choix :

• épaisseurs traitées

• cout énergétique

III TRAITEMENTS THERMOCHIMIQUES DE DIFFUSION

3.1 Propriétés

Il est possible de modifier la composition chimique superficielle d'un matériau par diffusion

thermique d'un ou plusieurs éléments extérieurs dans le but d'obtenir des propriétés nouvelles :

• dureté plus élevée

• augmentation de la résistance à

la fatigue par élévation des

caractéristiques mécaniques

superficielles et par mise en

précontrainte

• amélioration de la résistance au

grippage

• amélioration de la résistance à la

corrosion

3.2 Cémentation gazeuse

a) Principe :

La cémentation est un traitement thermochimique

d’enrichissement superficiel par diffusion du carbone,

permettant d’atteindre sur des aciers à bas carbone une

teneur en carbone superficiel de l’ordre de 0,6 à 0,9%.

Elle s’effectue en milieu gazeux riche en monoxyde

de carbone CO, à des températures comprises entre 925 et

975°C.

Elle est suivie d’une trempe pour obtenir un

durcissement superficiel de la couche ainsi enrichie.

b) Critère de choix :

Le choix d’un tel procédé se justifie par le fait que les sollicitations des pièces mécaniques

sont pour la plupart superficielles :

• usure

• fatigue de contact

• matage

Et ne justifient pas un durcissement élevé dans la masse, dont le défaut est d’affaiblir la

résistance aux chocs.

Les profondeurs de diffusion du carbone sont limitées pratiquement à 4mm ; les profondeurs

les plus courantes varient entre 0,6 et 2,5mm.

3.3 Carbonitruration gazeuse

a) Principe :

La carbonitruration est une traitement thermochimique de diffusion de carbone et d’azote

(ammoniac) destiné à augmenter la dureté superficielle après trempe des aciers (et des fontes).

Les profondeurs obtenues industriellement varient entre 0,05 et 0,6mm. Les duretés atteintes

sont supérieure à 58 HRC.

L’avantage de la carbonitruration par rapport à la cémentation est d’opérer à température

plus basse (780 à 880°C) et avec des temps plus courts grâce à la présence d’azote.

b) Effet de l'azote :

L’azote abaisse la température de transformation allotropique du fer.

Il améliore la diffusion du carbone.

Il abaisse le point de début de transformation martensitique Ms et de ce fait augmente la

trempabilité de la couche cémentée.

Il élève la dureté par formation de carbonitrures.

Tous ces facteurs contribuent à réduire les déformations.

3.4 Cémenter ou carbonitrurer ?

Critères :

• Profondeur durcie <0,6mm : carbonitruration ou cémentation

• Profondeur durcie >0,6mm : cémentation

3.5 Nitruration

a) Principe :

C’est un traitement thermochimique superficiel d’enrichissement en azote et

azote+carbone (nitrocarburation), des aciers et des fontes sur des pièces

généralement traitées par trempe et revenu.

Ce traitement se distingue de la cémentation et de la carbonitruration par la

température à laquelle il est réalisé (environ 550°C) et par le mécanisme de

durcissement (pas de trempe, durcissement en phase ferritique)

b) Couche de combinaison ou couche blanche :

En surface, le milieu nitrurant offrant une forte concentration en azote, il se forme une

combinaison chimique fer-azote.

Cette couche correspond à une transformation chimique complète de la surface métallique

équivalente à une conversion chimique.

Cette couche est comprise entre 5 et 20 microns. Elle présente des propriétés tribologiques

(frottement faible) intéressantes.

La tenue à la corrosion est relativement bonne grâce à la passivation des surfaces par la

présence des nitrures de fer.

c) Zone de diffusion :

Au-delà de la couche blanche, l’azote diffuse dans la structure ferritique de l’alliage fer-

carbone et se combine aux éléments d’addition pour former des nitrures et permettre le

durcissement de la pièce.

La dureté entre 750 et 1100 HV pour les aciers couramment utilisés.

Les profondeurs les plus courantes sont comprises entre 0,1 et 0,5mm.

d) procédés de nitruration

• nitruration gazeuse

• nitruration en bains de sels

• nitruration ionique

e) pourquoi nitrurer ?

Ce traitement est le plus universel et celui présentant le moins de risques.

• Durcir superficiellement toutes les nuances d’acier même inoxydables et fontes sur pièce

finie avec très peu de variations dimensionnelles (10 à 20 µm de gonflement).

• Améliorer le comportement aux frottements.

• Augmenter la résistance à la fatigue et à l’usure

• Améliorer la résistance au grippage

3.6 Traitements électrolytiques

Dépôt anodique : la pièce est liée à l’anode et la

formation du composé en surface se développe à

la fois vers l’intérieur et vers l’extérieur de la

surface traitée (épaisseur 0,01 à 0,1mm)

Exemple : anodisation dure d’alumine sur de

l’aluminium

Dépôt cathodique (électrolyse cathodique) : la pièce est liée à la cathode et

le dépôt de matière (métal d’apport) se développe uniquement de la surface

vers l’extérieur (épaisseur 0,5mm).

Exemple : chromage dur sur acier, aluminium, cuivre…

3.7 Métallisation

a) Principe :

Elle consiste en un dépôt de métal fondu (zinc, étain, aluminium, plomb…) ou de céramiques sur

la surface à traiter.

Le dépôt peut être effectué en phase gazeuse, par condensation ou vaporisation et ionisation de très

petites particules dans un milieu gazeux rarefié.

b) Procédés :

• Le PVD (Physical Vapor Deposition) : dépôt par condensation de la

vapeur métallique à la surface de la pièce à des températures de 100 à

550 °C.

• Le CVD (Chemical Vapor Deposition) : dépôt par réaction chimique

de la vapeur métallique avec la surface de la pièce à revêtir à des

températures de 900 à 1 100 °C.

• Le PACVD (Plasma Assisted CVD) : CVD assisté par plasma pour

dissocier le gaz actif à plus basse température, de l'ordre de 500 °C.

nitruration ionique

schéma de principe de

la pulvérisation

cathodique réactive

3.8 Revêtement organiques

Peinture et vernis :

Couramment utilisés, leur rôle est essentiellement protecteur (corrosion, humidité, agents

chimiques…), décoratif et lié à l’assainissement (anti-salissures, moisissures…)

3.9 Traitements de surface dans le processus de réalisation d’une pièce mécanique

Le traitement de la pièce peut se faire à différents stades de la fabrication.

Les épaisseurs traitées sont faibles, le traitement se fait après usinage. Une étape de

rectification peut être nécessaire pour garantir la c dimension.