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Introduction : La notion de traitements thermiques recouvre un ensemble d’opéra

Introduction : La notion de traitements thermiques recouvre un ensemble d’opérations ayant pour but des transformations structurales effectuées sur les matériaux à l’état solide, sous l’influence de cycles de température convenablement choisis afin de leur conférer des propriétés particulières (NF A 02-010). Il peut s’y ajouter simultanément des traitements mécaniques (traitements thermomécaniques) ou des traitements chimiques (traitements thermochimiques). On rencontre également des traitements thermiques au cours du refroidissement d’une pièce moulée après solidification et pendant des opérations de mise en forme par déformation plastique, par frittage ou par soudage, etc., quand des transformations structurales, sous l’influence des variations de température au cours de ces opérations, s’ajoutent à celles que ces procédés peuvent eux-mêmes provoquer. 1. Nécessité des traitements thermiques : 1.1 Principes, buts et rôle des traitements thermiques : La plupart des matériaux sont susceptibles de subir des traitements thermiques. C’est ainsi que l’on peut modifier les structures des matières plastiques, des verres, des céramiques, mais ce sont les matériaux métalliques, métaux et alliages, qui offrent les plus grandes possibilités de traitements thermiques : on peut même dire que c’est grâce à eux que l’on peut en tirer le plus grand profit. L’importance commerciale des traitements thermiques est considérable. Les modifications structurales obtenues par traitement thermique permettent, de conférer à un matériau des propriétés particulières adaptées à sa meilleure utilisation sous forme de pièce finie, ou à sa mise en œuvre dans les meilleures conditions, sous forme de demi-produit ou d’ébauche. Ces améliorations contribuent très souvent à une diminution des coûts, car elles permettent l’emploi d’alliages bon marché quand on sait les traiter convenablement, ou la diminution du nombre de nuances à utiliser pour un type de fabrication donné, en choisissant un traitement bien adapté à chaque propriété recherchée. Il faut préciser, dès à présent, que les traitements thermiques permettent une modification de toutes les propriétés des matériaux, car celles-ci sont toutes étroitement liées à leur structure : propriétés mécaniques, propriétés chimiques et de résistance à la corrosion, propriétés physiques diverses (électriques, magnétiques, etc.). On commence à bien comprendre les relations entre structure et propriétés, et, comme on peut maîtriser les évolutions structurales par traitement thermique, il est souvent possible d’obtenir ainsi les propriétés voulues. Il s’agit, bien entendu, d’améliorer les propriétés des matériaux pour leur emploi mais, souvent, l’amélioration de l’une d’elles va généralement de pair avec une dégradation d’autres propriétés. Ainsi, une augmentation de dureté ou de résistance mécanique est toujours associée à un accroissement de la fragilité ou à une diminution de la ductilité, et à l’altération de nombreuses autres propriétés, mais aussi à une diminution de l’usinabilité ou à une impossibilité d’emploi du matériau traité thermiquement pour le soudage par exemple. De même, un recuit permet en général d’augmenter la malléabilité et la facilité de mise en forme, mais diminue la dureté, la résistance mécanique et la résistance à l’usure, l’usinabilité pouvant être, selon le cas, améliorée ou diminuée. Ce sont surtout les industries de pointe (aéronautique, nucléaire, essentiellement) et les industries de grande série (automobile) qui ont poussé au développement des performances des alliages et à la mise au point de traitements thermiques permettant d’atteindre ces performances. On rencontre alors, parmi les alliages traités thermiquement, des domaines d’application spécifiques. Quand un alliage doit être utilisé sous des sollicitations diverses et simultanées, il est souvent nécessaire de faire des choix entre les propriétés et de faire des concessions à certaines d’entre elles. C’est ainsi qu’un acier traité à haute résistance est en général sensible à la corrosion sous tension, et que, dans le cas où un tel acier est soumis à ce type de corrosion, il convient de ne pas le traiter à son plus haut niveau de résistance mécanique ; l’emploi de cet acier pourra néanmoins se révéler plus intéressant, même s’il n’est pas traité à son niveau optimal de résistance. Pour ces raisons, le choix d’un traitement thermique résulte souvent d’un compromis entre plusieurs propriétés contradictoires, les solutions sont souvent multiples, et le choix de la place des traitements thermiques dans une gamme de fabrication est d’une importance capitale. Traitements thermochimiques : L'ingénierie de surface représente la méthode techniquement attrayante et économiquement viable visant à améliorer la couche superficielle des matériaux. Étant donné que la surface du matériau contrôle la durée de vie dans de nombreuses applications, l'objectif est de développer un large éventail de propriétés fonctionnelles différentes du substrat de base, notamment physiques, chimiques, électriques, électroniques, magnétiques ou mécaniques. Faisant partie de l'ingénierie des surfaces, le traitement thermochimique utilise la diffusion thermique pour incorporer des atomes non métalliques ou métalliques à la surface d'un matériau afin de modifier sa chimie et sa microstructure (Fig. 1). Le procédé est conduit en milieu solide, liquide ou gazeux avec un ou plusieurs éléments chimiques actifs simultanément. Pour la majorité des traitements thermochimiques, le mécanisme comprend une décomposition d'espèces solides, liquides ou gazeuses, la division de molécules gazeuses pour former des atomes naissants, l'absorption d'atomes, leur diffusion dans un réseau métallique et des réactions au sein de la structure du substrat pour modifier les phases existantes ou former de nouvelles phases. . Étant donné que dans les processus à l'échelle industrielle, toute la pièce est soumise à des températures élevées, la diffusion de surface se superpose à des changements dans le volume du matériau qui, pour certains traitements, peuvent impliquer des transformations de phase, ce qui ajoute à la complexité. Figure 1. Principes du traitement thermochimique montrant une distribution de l'élément chimique A à l'intérieur d'un alliage ainsi que des sous- surfaces typiquement modifiées En clair, lorsqu’on a besoin d’une dureté superficielle plus élevée et une ductilité encore plus grande, on utilise les traitements thermochimiques. Cette modification se fait par l’insertion de divers gaz en fonction des types de traitements désirés : carbone, azote, ammoniac, oxyde de carbone, méthane, etc. Un traitement thermochimique compte trois stades élémentaires :  un processus dont le siège est le milieu extérieur et qui assure le dégagement de l’élément diffusant à l’état atomique;  un contact des atomes d’élément diffusant avec la surface de la pièce en acier et formation des liaisons chimiques avec les atomes de fer (absorption);  une pénétration de l’élément saturant en profondeur dans le métal de base, c’est à dire, le stade de diffusion. Les traitements thermiques les plus connus sont les traitements de cémentation, de carburation, de nitruration, de nitrocarburation et de carbonitruration. Nitro-carburation (nitro-carburation ferritique) : Pendant la nitro-carburation, l'azote et le carbone sont fournis à la surface de l'acier à l'état ferritique à des températures généralement comprises entre 500 et 580 C o. La classification générale des traitements thermochimiques impliquant l'azote et/ou le carbone est illustrée à la Fig.2. Selon une certaine terminologie, l'équivalent à haute température de la nitrocarburation ferritique est appelé nitrocarburation austénitique. Il existe également un terme de cémentation ferritique, décrivant le processus de cémentation à des températures de l'état ferritique. Figure 2 : Classification des traitements thermochimiques de base impliquant l'azote et le carbone Technologie de processus : La nitro-carburation en bain de sel par Tufftride® est réalisée dans un mélange de cyanate alcalin et de carbonate alcalin dans la plage de température de 480-630 C ° . La nitro-carburation gazeuse a été développée comme une alternative plus propre à la technologie du bain de sel. Outre l'ammoniac, nécessaire pour fournir l'azote naissant, les atmosphères de nitro-carburation contiennent des additifs carbonés comme les gaz exothermiques et endothermiques CO2, CO et H2 comme produits de la dissociation du méthanol. Il existe également un traitement hybride, intégrant la nitruration plasma à basse température et des ajouts d'espèces carburantes aux milieux plasma pour provoquer l'incorporation simultanée d'azote et de carbone. Cependant, en utilisant la décharge luminescente de plasma contenant des espèces d'azote et de carbone, il est difficile de produire une seule couche de composé de phase ε-Fe2-3(N,C) sur les aciers de construction. Au lieu de cela, la nitrocarburation plasma génère une couche composée avec des phases mixtes de -Fe2-3(N,C) et '- Fe4(N,C), connues pour être préjudiciables dans les applications tribologiques, en particulier sous des charges d'impact. à l'exception des aciers bas carbone ou dans une certaine mesure des aciers non alliés moyennement carbonés, la nitro-carburation gazeuse ne produit pas de couches composées ou de diffusion plus rapidement que la nitruration gazeuse. De plus, les propriétés des pièces nitro-carburées ne sont pas toujours supérieures à celles obtenues par nitruration et le procédé de nitro-carburation est plus difficile à maîtriser. La nitro-carburation s’effectue à des températures faibles et implique la diffusion d’azote et de carbone dans la surface de l’acier au carbone afin d’obtenir une couche nitrurée un peu plus dure et un noyau doux, avec une couche de combinaison très mince en surface. La couche de combinaison est résistante à la corrosion et à l’usure, sans être fragilisée, contrairement à son équivalent dans le processus de nitruration. Étant donné qu’elle fournit une partie essentielle des propriétés requises par le processus, elle ne doit pas être éliminée par rectification ultérieure. En dessous de la couche de combinaison, la couche nitrurée améliore de façon uploads/Sante/ epose-m.pdf