Traitement thermique superficiel

Les traitements thermiques superficiels sont des techniques visant à conférer à certaines pièces mécaniques des caractéristiques mécaniques différentes à cœur ou en surface. En effet, dans de nombreux cas, les pièces mécaniques sont soumises à des sollicitations de type :

• usure
• frottement
• fatigue
• corrosion

Ces phénomènes sollicitent les couches externes qui nécessitent parfois des traitements, dont il existe plusieurs types.

Traitement par chauffage superficiel

Le chauffage est localisé jusqu’à quelques millimètres à température austénitique suivie d’un refroidissement rapide sous 2 formes différentes :

• utilisation d’un fluide pour les fortes épaisseurs
• refroidissement endogène (profite du volume intérieur et du milieu extérieur froid pour refroidir la fine couche traité)

Chauffage oxyacéthylène (OA)

Réalisé à avec un chalumeau

• vitesse de chauffe élevé (200°/s)
• temps de maintien faible
• température et épaisseur difficile à maitriser

Chauffage par induction

Apport thermique par effet joule lié à la présence de courant induit. Préférable au chauffage OA pour sa meilleure maitrise de l’épaisseur de chauffe ainsi que de la température.

Technique employée pour la trempe superficielle de pièces mécaniques devant conserver ses qualités internes propres et présenter une couche très dure en surface.

Techniques haute énergie

• Bombardement électronique
• Laser
• Torche à plasma

Ces types de chauffage sont caractérisé par :

• chauffage très rapide (5 à 10000°/s)
• épaisseur traité de quelques µm
• très bonne maitrise de l’épaisseur

Ils sont plutôt utilisés dans les traitements pour accroitre la résistance au frottement.

Comparaison des différentes techniques

Aciers utilisés

L’épaisseur de traitement doit être faible (pas plus de 10 mm), il nous faut donc des matériaux avec une faible trempabilité : acier avec %C<0,5. Cette limitation du carbone diminue les risques d’austénite résiduelle et de tapure de trempe

Projection thermique

projection plasma

Le traitement thermique superficiel à l’aide de la projection plasma permet de contourner les deux difficultés majeures que présentent les traitements par chauffage et les traitements thermochimiques :

• épaisseur traitée non homogène
• réaction chimique entre deux métaux à compatibilité cristallographique

La projection plasma permet un meilleur contrôle des épaisseurs et le revêtement est possible sur tous types de matériaux. Le principe consiste à projeter à chaud des particules venant s’écraser sur les surfaces à traiter. Avant le traitement, il faut préparer la surface par sablage ou décapage. L’adhérence au matériau est li »é à l ‘énergie cinétique des particules (200 à 1000 ms/s). Les particules projetées peuvent être du tungstène, du cuivre, du tantale, du molybdène ou de la céramique

Traitement thermochimique

Les principaux traitements sont :

• nitruration
• cémentation
• carbonitruration : résistance à l’usure
• Chromisation : caractéristique mécanique, usure, lutte contre corrosion

La cémentation

Accroissement du durcissement par augmentation du %C en superficie. C’est un traitement chimique de diffusion du carbone. Cet enrichissement se fait dans un milieu gazeux (80% des utilisations), liquide, pâteux. Il y a 2 phénomènes simultanés :

• réaction chimique à la surface du métal
• processus de diffusion des zones externes vers le cœur (très rapide)

Le traitement s’effectuent entre 900 et 950° (cette température élevée favorise la diffusion).Les aciers utilisés sont avec un faible %C et peu d’élément d’addition (XC18, 20MC16)

La nitruration

Le traitement (ou procédé) de nitruration est un traitement de surface qui consiste à plonger des pièces usinées dans un milieu susceptible de céder de l'azote (autrefois appelé nitre) en surface, à une température comprise entre 300 et 580 °C où l'azote peut diffuser de la surface vers le cœur de la pièce. Une fois le traitement effectué on peut observer deux couches :

• La couche de combinaison, en surface, d’une épaisseur approximative de 20 μm, elle est composée de nitrures de fer (Fe₃N et/ou Fe₄N).
• La couche de diffusion plus épaisse (100 à 1000 μm), si le métal contient des éléments d’alliage il se forme des précipités de nitrures finement dispersés dans la zone de diffusion. Ces précipitations conduisent à un durcissement important, les niveaux de dureté obtenus sont compris entre 400 et 1300 HV (dureté Vickers). La couche de diffusion est donc plus dure que la couche de combinaison.

L’augmentation de la dureté en surface apporte des avantages certains : l’usure des pièces va être limitée, mais les pièces vont tout de même garder à cœur leurs caractéristiques mécaniques propres, en ce qui concerne la nitruration, la couche de combinaison a de bonnes propriétés de glissement ce qui peut être appréciable pour les roulements et les engrenages, cette couche pouvant être retirée si nécessaire. La dureté obtenue est supérieure à celle de la cémentation (1200HV contre 1000HV) et l’épaisseur mieux maitriser mais le traitement est légèrement plus onéreux (5€/kg traité contre 3 €). Les aciers utilisés ont un %C compris entre 0,3 et 0,4 avec ou sans élément d’addition.

Carbonitruration et chromisation

La chromisation est un traitement par lequel on fait diffuser du chrome dans les couches superficielles d'un acier. Elle ne doit pas être confondue avec le chromage, qui est un dépôt superficiel de ce métal sur de l'acier ou d'autres matériaux. La carbonitruration est un traitement de diffusion. Comme pour la cémentation, il y a un apport de carbone en surface mais en plus, il y a une introduction d'azote dans le four ou dans un bain.