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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 1 205 − 1 Traitements thermiques superﬁciels des aciers par Yves DESALOS et Florence LE STRAT Ingénieurs chez Renault SA Docteurs ès sciences 1. Périmètre et spéciﬁcités........................................................................ M 1 205 - 2 1.1 Place dans la famille des traitements de surface...................................... — 2 1.2 Panorama des procédés de traitement thermique superﬁciel................. — 3 1.3 Poids industriel relatif des procédés envisagés........................................ — 5 1.4 Atouts et handicaps de ces procédés ........................................................ — 7 2. Potentialités de ces traitements en termes de tenue mécanique............................................................ — 7 2.1 Amélioration de la résistance à la fatigue ................................................. — 7 2.2 Résistance aux sollicitations de surface .................................................... — 9 2.3 Contribution des contraintes résiduelles en surface ................................ — 9 2.4 Synthèse comparative................................................................................. — 10 3. Limitations thermiques et métallurgiques de ce type de traitement........................................................................ — 11 3.1 Limites imposées par la thermique du chauffage .................................... — 11 3.2 Limitations imposées par la métallurgie ................................................... — 12 3.3 Aide et limites des simulations numériques............................................. — 18 4. Matériels pour la mise en œuvre industrielle de ces traitements................................................................................... — 19 4.1 Sources d’énergie........................................................................................ — 19 4.2 Machines de présentation des pièces et postes de travail....................... — 19 4.3 Outils de chauffage...................................................................................... — 19 4.4 Outils de trempe .......................................................................................... — 21 4.5 Matériels périphériques .............................................................................. — 21 4.6 Moyens de contrôle. Assurance qualité .................................................... — 21 5. Exemples de réalisations industrielles avec chauffage par induction............................................................... — 22 5.1 Industrie automobile ................................................................................... — 22 5.2 Autres secteurs industriels ......................................................................... — 23 6. Axes de développement de ces procédés......................................... — 23 6.1 Durcissements de contour par induction des dentures ........................... — 23 6.2 Contrôles en ligne des procédés................................................................ — 24 6.3 Conception d’inducteurs assistée par simulation numérique ................. — 24 6.4 Reprises de traitement localisées sur pièces difﬁciles ............................. — 24 6.5 Intégration industrielle de sources plus ﬂexibles ..................................... — 24 7. Conclusions ............................................................................................... — 25 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 1 205 TRAITEMENTS THERMIQUES SUPERFICIELS DES ACIERS _______________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. M 1 205 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques es traitements thermiques superﬁciels des pièces en alliages ferreux sont destinés à améliorer leur résistance à la fatigue ou (et) à l’usure en durcissant les zones critiques superﬁcielles par des apports thermiques sufﬁsamment brefs et localisés pour conﬁner les effets structuraux. Les cycles thermiques associés visent soit un chauffage rapide localisé d’austénitisation en phase solide (typiquement quelques secondes au-delà de 800 oC) suivi de trempe naturelle ou forcée, soit une refusion superﬁcielle suivie du refroidissement permettant l’évolution structurale désirée (par exemple : transformation de fonte grise en fonte blanche). À côté de ces traitements par seul apport thermique, se développent aussi des traitements avec refusion superﬁcielle en présence d’un matériau d’apport sous forme de prédépôt ou poudre projetée : simple enrichissement, recou- vrement par un nouvel alliage, inoculation de particules dures ou réfractaires... Nous n’aborderons dans le présent article que la famille de traitements sans matériau d’apport, en nous attachant essentiellement au durcissement en phase solide des aciers. Dans ce dernier domaine, économiquement important pour les industries mécaniques, la plus large place revient au durcissement superﬁciel par trempe après chauffage par induction électromagnétique (source thermique sous- cutanée de courants induits haute fréquence). L’essor de ce procédé est lié à ses avantages techniques et économiques : — limitation économique (rendement) et modulable des apports énergétiques ; — disponibilité (délai de mise en œuvre) et souplesse de la source ; — cycles rapides et non polluants autorisant le traitement en chaîne de fabrication ; — qualité des pièces traitées en ce qui concerne la reproductibilité du durcis- sement, les risques de déformations, la facilité de mise en compression naturelle des surfaces, la faible épaisseur affectée par l’oxydation de celles-ci. Le développement plus particulier de ces traitements dans l’industrie auto- mobile a accompagné la mise au point de générateurs et d’inducteurs adaptés aux fortes cadences, ainsi que de transferts automatisés permettant une gestion industrielle à ﬂux tendu. D’autres sources thermiques capables de puissances surfaciques importantes, telles que : lasers continus ou impulsionnels, faisceaux d’électrons, torches plasma, permettent des localisations énergétiques plus précises encore que l’induction et commencent à faire l’objet d’applications industrielles en durcis- sement superﬁciel. Malgré des coûts d’investissement descendus à des niveaux raisonnables, elles sont encore surtout retenues pour des traitements difﬁciles quant à l’accès et aux détails des zones à traiter. L 1. Périmètre et spéciﬁcités 1.1 Place dans la famille des traitements de surface Le périmètre des traitements considérés s’inscrit dans la première des quatre catégories traditionnelles de traitement des surfaces [37]. I Traitements par transformation structurale, sans matériau d’apport Seule la structure métallurgique superﬁcielle du substrat est modiﬁée. Cette évolution structurale peut se faire par voie mécanique (gale- tage, grenaillage), ou thermique. Dans ce dernier cas, seul à nous intéresser, on peut rester en phase solide pour le durcissement par transformation martensitique des alliages ferreux s’y prêtant, ou pas- ser par la phase liquide, pour transformer par exemple de la fonte grise en fonte blanche. I Traitements thermochimiques par diffusion Le matériau d’apport peut être soit un élément non métallique (cémentation, nitruration, boruration), soit un métal (chromisation, aluminisation...). I Traitements de conversion Le matériau d’apport réagit chimiquement avec la surface du substrat (phosphatation, chromatation, anodisation). I Revêtements L’apport peut se faire par voie humide (électrolyse, réduction chi- mique), au trempé (galvanisation, étamage...), par voie sèche ou gazeuse (PVD, CVD), ou encore par projection (ﬂamme ou plasma). ______________________________________________________________________________________ TRAITEMENTS THERMIQUES SUPERFICIELS DES ACIERS Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 1 205 − 3 Nous ne nous intéresserons qu’aux durcissements de surface des alliages ferreux susceptibles de transformations allotropiques en phase solide (généralement, la tempe martensitique), accessoi- rement au cas où les évolutions structurales ont lieu après refusion locale (pièces en fonte). Nous ne ferons également qu’évoquer le cas des recuits ou reve- nus d’adoucissement localisés à des zones sensibles de pièces. 1.2 Panorama des procédés de traitement thermique superﬁciel On les distingue généralement par la nature de la source ther- mique mise en jeu, sachant que la nécessité d’apport rapide d’éner- gie thermique pour limiter la diffusion thermique et conﬁner les effets structuraux impose des puissances surfaciques de l’ordre du kW/ cm2. 1.2.1 Trempes après chauffage à la ﬂamme (au chalumeau) Dans ce procédé relativement ancien [1], la surface de la pièce est portée en quelques secondes au-delà de 900oC à l’aide d’un chalu- meau ou d’un jeu de brûleurs judicieusement répartis, puis trempée plus ou moins violemment selon l’épaisseur relative chauffée et la trempabilité de l’acier. Suivant le gaz combustible (acétylène, méthane, propane, etc.) et la conception du chalumeau, la puissance surfacique dispensée peut varier typiquement de 0,5 à 2 kW/cm2. La profondeur durcie peut varier entre un millimètre et la pleine section de la pièce (typiquement jusqu’à 75 mm) selon la durée d’interaction de la ﬂamme et l’efﬁcacité du refroidissement vis-à-vis de la trempabilité de l’acier. Les différents procédés de trempe à la ﬂamme sont soit de type stationnaire, soit de type au déﬁlé (« de proche en proche ») suivant le déplacement relatif de la pièce et de la ﬂamme. La ﬁgure 1 présente un schéma de principe de la trempe à la ﬂamme d’une pièce de révolution, tandis que la ﬁgure 2 correspond à la trempe au déﬁlé d’une surface plane. 1.2.2 Trempes avec chauffage par induction en moyenne ou haute fréquence Le chauffage par induction MF peut être utilisé pour réaliser des revenus sommaires (généralement quelques minutes à des températures inférieures à 300 oC) ou des recuits (chauffage vers 900 oC/ refroidissement naturel) sur des parties de pièce à défragiliser, mais l’application dominante de l’induction MF demeure le durcissement superﬁciel localisé [2]. La partie de pièce à traiter est soumise, en statique ou au déﬁlé (ﬁgure 3), au champ électromagnétique d’un inducteur alimenté en courant de haute fréquence, typiquement quelques kHz (« moyenne fréquence ») à 400 kHz (« haute fréquence »). Il en résulte des courants surfaciques induits (courants de Foucault) s’opposant à la variation du ﬂux inducteur et échauffant la pièce par effet Joule et conduction thermique. Le refroidissement accéléré contrôlant la microstructure de la zone à durcir doit intervenir avant que la température de cette dernière ne redescende en dessous de 750oC, le refroidissement naturel n’étant généralement pas sufﬁsant pour les épaisseurs relatives traitées usuelles. On procède généralement à une trempe sous douche d’eau, celle-ci se substituant à l’inducteur (procédé statique) ou opérant juste derrière l’inducteur (procédé au déﬁlé). On peut ainsi obtenir des durcissements martensitiques sur des épaisseurs superﬁcielles typiquement comprises entre 0,5 et 5 mm et des structures intermédiaires assurant la transition entre la dureté de la martensite et celle du substrat. La trempe par impulsions [3] (pulse hardening en anglais) est une variante de durcissement localisé après chauffage par induction utilisée uploads/Sante/ m1205-pdf.pdf