Qu'est-ce que la cémentation : avantages, procédé, types et applications

Chaque application impose des exigences différentes en matière de dureté du matériau utilisé pour fabriquer ses composants. Toutefois, pour atteindre le niveau de dureté requis, on recourt à un procédé de cémentation afin de durcir les métaux.

Différents types de métaux peuvent nécessiter un durcissement, obtenu par le procédé de cémentation. Si vous souhaitez savoir ce qu'est la cémentation, consultez le guide ci-dessous.

Qu'est-ce que la cémentation ?

La cémentation est un procédé de traitement thermique qui améliore les propriétés des matériaux, notamment leur dureté, en ajoutant du carbone à la surface du métal. La surface du métal peut manquer de carbone ; l'apport de carbone est donc essentiel pour former une couche dure autour de celle-ci.

Avantages de la cémentation

La cémentation présente plusieurs avantages polyvalents, dont voici quelques-uns :

• Le procédé de cémentation est très simple, peut être réalisé en un rien de temps et ne nécessite même pas de compétences excessives. Il est également compatible avec de nombreux types de matériaux, comme la fonte et l'acier au carbone. Il convient aux formes et aux conceptions complexes.
• La cémentation est un procédé peu coûteux qui, pour une dépense limitée, permet de conférer de la dureté aux composants.
• La cémentation convient aux gros volumes, car elle est automatisée et durcit de plus grands lots de produits.
• Elle offre un meilleur contrôle des dimensions et, même après le durcissement, la déformation est négligeable.
• Elle améliore la résistance à l'usure et la ductilité de la pièce.
• La cémentation confère aux composants une résistance à la fatigue élevée ; la couche dure extérieure permet donc à la pièce de supporter des charges importantes.

Procédés de cémentation

Le procédé de cémentation comprend les étapes suivantes :

Ajout de carbone

Dans un premier temps, le composant est nettoyé puis placé dans une caisse hermétiquement fermée contenant les matières carbonées. Pour sceller la caisse, on peut utiliser de l'argile réfractaire. La caisse est ensuite placée dans le four à une température de 925 degrés Celsius pendant environ 10 heures.

Le dioxyde de carbone provient de la matière carbonée, qui se décompose en carbone et en monoxyde de carbone. Le carbone diffuse dans le composant, qui est ainsi cémenté. La pièce absorbe le carbone par couches, puis la caisse est retirée du four.

Traitement thermique

La pièce est ensuite replacée dans le four pour l'étape de traitement thermique. Elle y reste environ 15 minutes à une température de 790 degrés Celsius. Cela permet de transformer le métal en austénite ; puis, après retrait du four, la pièce est plongée dans l'eau. Il en résulte un refroidissement rapide et la formation de structures dures.

Revenu

Des contraintes internes se forment en raison du refroidissement rapide ; il est donc important de les éliminer par revenu. Vous pouvez chauffer la pièce à basse température et la laisser refroidir à l'air après une heure de maintien à chaud.

Types de cémentation

Il existe différents types de procédés de cémentation, présentés ci-dessous.

Cémentation gazeuse

La cémentation gazeuse consiste à chauffer de l' acier au carbone jusqu'à la température d'austénitisation dans une atmosphère riche en carbone. Elle utilise un gaz porteur, et le composant est placé dans un four contenant du propane et du méthane. Il s'agit d'un mélange de CO2, CH4, CO, etc.

À la température de cémentation, le propane se décompose à la surface de la pièce et le carbone diffuse en surface. La température est d'environ 925 degrés Celsius et la durée nécessaire à la cémentation est de 2 heures.

Cémentation sous vide

Le procédé de cémentation sous vide consiste à utiliser un environnement exempt d'oxygène et à basse pression. Il fait appel à des hydrocarbures, c'est-à-dire des gaz comme le méthane. L'atmosphère est exempte d'oxygène et la température peut être augmentée si nécessaire. Plus la température est élevée, plus la vitesse de diffusion du carbone est grande.

Cémentation liquide

La cémentation liquide est un procédé utilisé pour cémenter des pièces en acier ou en fonte. Ces pièces sont maintenues à une température supérieure à Ac1 dans un bain de sel en fusion, et de l'azote et du carbone sont ajoutés. La cémentation liquide utilise du cyanure, composé d'azote et de carbone.

La pièce est maintenue dans un bain de sel à une température d'environ 900 degrés Celsius, et le sel est hautement toxique. Le sel incorpore de l'azote à la surface de la pièce, ce qui la durcit.

Cémentation solide (cémentation en caisse)

La cémentation solide est un procédé dans lequel du monoxyde de carbone est dérivé du composé solide, qui se décompose à la surface du métal en dioxyde de carbone et en carbone naissant. Les caisses de cémentation sont fabriquées en acier au carbone aluminisé, en acier au carbone ou en alliages fer-nickel-chrome résistant à la chaleur.

Les pièces sont placées dans une caisse scellée avec un milieu de cémentation, qui peut être du charbon de bois ou du coke. Le procédé utilise la cémentation gazeuse, et le monoxyde de carbone se dissocie en dioxyde de carbone, qui fixe ensuite le carbone à la surface de la pièce. Le procédé dure de 2 heures à 36 heures à une température de 800 à 845 degrés Celsius.

Cémentation plasma

Le procédé de cémentation plasma utilise la décharge luminescente à courant continu, qui ajoute une couche de carbone à une pièce. Une tension continue est appliquée entre la pièce et l'électrode, et la pièce est maintenue dans la chambre de cémentation. Le carbone est ensuite libéré sous forme de décharge plasma.

Cémentation par gouttes

La cémentation par gouttes utilise des agents organiques, tels que le méthanol, ajoutés au four de cémentation. Elle produit le gaz qui décompose les pièces et leur surface, laissant une couche de carbone dure.

Carbonitruration

La carbonitruration est également réalisée sur l'acier et présente une teneur massique en carbone de 0,4 à 0,5 pour cent. Elle contribue à durcir la surface de la pièce, et ces pièces peuvent inclure des arbres et des engrenages. Le procédé modifie un gaz dans lequel du méthane et de l'ammoniac sont présents.

Cémentation ou nitruration

La cémentation et la nitruration sont deux procédés qui contribuent à durcir l'acier et d'autres métaux. Toutefois, la seule différence entre eux réside dans le matériau utilisé pendant le procédé.

La cémentation sert à diffuser du carbone à la surface du métal en le chauffant en présence d'un matériau carboné. La nitruration, quant à elle, utilise de l'azote sur la pièce et l'expose à des températures élevées.

Applications de la cémentation

Le procédé de cémentation est utilisé dans de nombreuses applications pour durcir les métaux des pièces ; certaines de ces applications sont présentées ci-dessous :

Aérospatiale : Les pièces d'aéronef, comme les pièces de moteur et les trains d'atterrissage, nécessitent une résistance élevée, ce qui requiert de l'acier cémenté.

Maritime : Les pièces, comme les systèmes d'engrenages et les moteurs en atelier, sont fabriquées à partir de pièces cémentées offrant une résistance à la corrosion et à l'usure.

Automobile : Dans le secteur automobile, les pièces à haute résistance et résistantes à l'usure, telles que les roulements, les engrenages et les arbres, font appel à la cémentation.

Agriculture : Les machines agricoles utilisent de l'acier cémenté, car elles ont besoin de pièces capables de résister à des environnements difficiles.

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Conclusion

Le procédé de cémentation comporte différents types, et chaque type possède ses propres caractéristiques. Il est très important de comprendre chaque type de procédé de cémentation et sa pertinence afin de pouvoir le choisir en fonction des exigences de votre application.