Traitement thermique des métaux : tout ce que vous devez savoir

Les utilisateurs de métaux dans l'industrie manufacturière ont appris à améliorer une vaste gamme de métaux. Cela se fait principalement pour adapter leurs propriétés à la tâche à accomplir, comme la réaction à l' usinage de précision.

Il existe de nombreuses méthodes pour améliorer les métaux, dont le traitement thermique des métaux. Ce processus peut modifier un certain nombre de propriétés différentes, notamment la résistance, la formabilité, l'élasticité, la dureté, la ductilité et l'usinabilité.

Comme le suggère le sujet de cet article, celui-ci se concentre sur tout ce que vous devez savoir sur le traitement thermique des métaux.

Qu'est-ce que le traitement thermique des métaux ?

Le traitement thermique est un processus général consistant à utiliser des opérations de chauffage et de refroidissement à différents stades pour modifier les propriétés physiques des métaux (microstructure), comme l'acier, l'aluminium et bien d'autres. L'objectif principal d'un tel traitement est d'améliorer les propriétés physiques et structurelles pour un usage spécifique ou une utilisation future du métal.

Il existe une vaste gamme de procédés de traitement thermique, parmi lesquels la cémentation, le recuit, le revenu, la décarburation, la normalisation, la cémentation, le vieillissement, la trempe et bien d'autres. Si chacun de ces traitements thermiques produit des résultats différents sur le métal, ils comportent tous trois étapes de base : le chauffage, le maintien en température et le refroidissement.

Les avantages du traitement thermique des métaux

Dans le monde de la fabrication, le traitement thermique des métaux est couramment utilisé et constitue un processus de chauffage et de refroidissement précisément contrôlé. Le traitement thermique ne rend pas seulement le métal plus dur, il le rend aussi plus mou. L'adoucissement permet de travailler les métaux lors d'opérations telles que le forgeage à froid, l'usinage, l'emboutissage profond et bien d'autres. Le traitement thermique des métaux est bénéfique et présente les avantages suivants :

• Amélioration de l'usinabilité ou de la mise en œuvre :

Le traitement thermique contribue à améliorer la fabricabilité d'un métal. Cela se fait par l'élimination des contraintes internes issues des processus de fabrication antérieurs tels que le travail à chaud, le travail à froid, l'usinage, le soudage et l'estampage. Par exemple, si un métal est très difficile à plier ou à usiner, il peut être soumis à un recuit ou à un détensionnement. Cela aidera à réduire la dureté de ce matériau. Si un matériau se déforme lors de l'usinage, pour l'empêcher de se déformer, il peut être recuit ou détensionné. Le traitement thermique par induction ou à la flamme peut également être utilisé pour adoucir une zone spécifique du métal, en laissant le reste du métal intact.

• Amélioration de la durabilité et de la résistance à l'usure

Il existe plusieurs procédés de traitement thermique. Certains de ces procédés peuvent être utilisés pour améliorer la résistance à l'usure en durcissant les métaux concernés. Des métaux tels que le titane, l'acier, l'Inconel et certains alliages de cuivre peuvent être durcis soit en surface (cémentation), soit à cœur (trempe à cœur). Cela se fait pour rendre le matériau plus résistant, plus durable, plus tenace et plus résistant à l'usure. Cette méthode est la meilleure couramment utilisée pour augmenter la durabilité d'aciers peu coûteux, notamment le 1018 ou l'A-36.

Le durcissement localisé peut être réalisé par induction ou à la flamme. Cela peut également aider à durcir une partie spécifique en laissant le reste du matériau intact ou inchangé. Enfin, la nitruration est utilisée pour durcir la surface de la pièce à basse température afin de réduire la déformation.

• Amélioration de la ténacité et de la résistance

La ténacité et la résistance sont un compromis : augmenter la résistance, mesurée par la dureté, peut contribuer à réduire la ténacité et introduire de la fragilité. Par conséquent, le traitement thermique peut affecter la résistance à la traction, la limite d'élasticité et la ténacité à la rupture. La trempe à cœur ou la cémentation aidera à augmenter la résistance du matériau. Toutefois, le matériau devra être revenu ou trempé et revenu pour réduire la fragilité. L'ampleur du revenu est déterminée par la résistance ultime requise dans la pièce. En outre, si le matériau reçu est trop fragile, il peut être traité thermiquement, soit par un nouveau revenu, soit par un recuit, pour le rendre plus utilisable (ductile).

• Amélioration des propriétés magnétiques

De nombreux métaux, dont le 316 ou le 1008, ont tendance à acquérir du magnétisme, mesuré par la perméabilité magnétique. Ce phénomène se produit principalement lorsque les matériaux concernés subissent un écrouissage par des procédés tels que l'usinage, l'estampage, le formage et le pliage. Outre l'acquisition de magnétisme, un type spécifique de recuit permet de réduire la perméabilité magnétique. Il est important de le réaliser si la pièce est destinée à une application en environnement électronique.

Quels métaux peuvent être traités thermiquement ?

Dans le domaine du traitement thermique, les métaux ferreux représentent la majorité des matériaux traités thermiquement. Environ 80 % des métaux ferreux traités thermiquement sont les différentes nuances d'acier. D'autres exemples de métaux ferreux traitables thermiquement incluent l'acier inoxydable et la fonte. Cependant, d'autres métaux, notamment le magnésium, l'aluminium, le nickel, le titane, le laiton, les alliages de cuivre et bien d'autres, sont également traitables thermiquement.

Traitement thermique de l'aluminium

Le traitement thermique de l' aluminium permet de renforcer et de durcir un sous-ensemble spécifique d'alliages d'aluminium. Cela inclut les alliages corroyés et de fonderie durcissables par précipitation. Ces alliages d'aluminium durcissables par précipitation comprennent les nuances 2XXX, 6XXX, 7XXX et 8XXX. Un recuit peut également être nécessaire pour les pièces ayant subi un écrouissage lors de leur procédé de formage.

Le traitement thermique typique de l'aluminium comprend le recuit, le vieillissement naturel et artificiel, l'homogénéisation et le traitement thermique de mise en solution. Bien que le traitement thermique de l'aluminium diffère de celui d'autres métaux comme l'acier, la température de son four peut varier entre 240 et 1000 °F selon le procédé exact utilisé.

Traitement thermique de l'acier

Comme mentionné précédemment, le métal ferreux le plus traité thermiquement est l' acier. L'ajustement de la teneur en carbone de l'acier constitue le traitement thermique le plus simple de l'acier. Cela permet de modifier les propriétés mécaniques de l'acier. D'autres modifications sont réalisées par traitement thermique – par exemple en accélérant la vitesse de refroidissement au passage du point de transformation austénite-ferrite. De plus, l'augmentation de la vitesse de refroidissement de l'acier perlitique (0,77 % de carbone) à environ 200 °C par minute génère une dureté DPH d'environ 300, et un refroidissement à 400 °C par minute porte la DPH à environ 400. L'augmentation de la dureté est attribuée à la formation d'une microstructure de perlite et de ferrite plus fine, obtenue lors d'un refroidissement lent à l'air ambiant.

En général, les procédés de traitement thermique couramment utilisés pour l'acier comprennent le recuit, la trempe, le revenu, la boruration, la cémentation, la trempe superficielle, la nitruration, la décarburation, la cémentation au cyanure et bien d'autres. Cependant, toutes les nuances d'acier ne nécessitent pas de subir l'ensemble des traitements thermiques mentionnés, mais tout acier doit être traité.

Traitement thermique de l'acier inoxydable

Un autre métal traitable thermiquement est l'acier inoxydable. Pour l'acier inoxydable, les traitements sont généralement effectués selon la nuance ou le type d'alliage. Les méthodes de traitement thermique, notamment le durcissement, le soulagement des contraintes et le recuit, contribuent à renforcer les propriétés de résistance à la corrosion et de ductilité de l'acier inoxydable lors de la fabrication. Elles permettent également de générer une structure dure capable de résister à l'abrasion et aux contraintes mécaniques élevées.

Le traitement thermique de l'acier inoxydable est principalement réalisé dans des conditions contrôlées afin de prévenir la décarburation, la carburation et le calaminage à la surface de l'acier inoxydable. Les méthodes couramment utilisées pour le traitement thermique de l'acier inoxydable comprennent le recuit (recuit de trempe, recuit de procédé et recuit de stabilisation), le durcissement, le soulagement des contraintes et bien d'autres.

Traitement thermique du titane

Le titane et ses alliages subissent un traitement thermique pour réduire les contraintes résiduelles développées lors de la fabrication (soulagement des contraintes). En outre, cela conduit à l'obtention d'une combinaison optimale de stabilité dimensionnelle et d'usinabilité (recuit). Pour augmenter la résistance du titane et de ses alliages, on utilise le traitement de mise en solution et le vieillissement. En matière de traitement thermique, les alliages de titane sont classés en alliages Alpha, quasi-Alpha, Alpha-Bêta ou Bêta.

• Bien que les alliages Alpha et quasi-Alpha de titane puissent être soulagés de leurs contraintes et recuits, la haute résistance ne peut être développée par aucun type de traitement thermique
• Les alliages Bêta commerciaux sont considérés comme des alliages de titane Bêta métastables. Lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées sélectionnées, la phase Bêta retenue se décompose et un renforcement du matériau se produit. Pour obtenir des alliages Bêta, le vieillissement et le soulagement des contraintes peuvent être combinés, tandis que le recuit et le traitement de mise en solution peuvent être des opérations identiques.
• Comme leur nom l'indique, les alliages Alpha-Bêta sont des alliages biphasés qui comprennent à la fois une phase Alpha et une phase Bêta. Ils semblent être les plus polyvalents et les plus courants des trois variétés d'alliages de titane.

Traitement thermique du cuivre

Le cuivre, en tant que métal, présente une couleur agréable, mais ses caractéristiques les plus importantes sont sa conductivité thermique et électrique élevée, sa résistance, son usinabilité, sa bonne résistance à la corrosion, son absence de magnétisme et sa facilité de mise en œuvre. Les produits finis issus de la transformation du cuivre sont généralement décrits comme des produits de fonderie et de laminage. Ceux-ci peuvent inclure des câbles et des fils, des bandes, des tiges, des tubes, des pièces moulées, des pièces issues de la métallurgie des poudres, des tôles, des plaques, des barres, des pièces forgées, et bien d'autres. Les produits susmentionnés sont fabriqués à partir de cuivre et de ses alliages et peuvent être soumis à un traitement thermique pour de très nombreux usages.

Les méthodes de traitement thermique les plus couramment utilisées pour le cuivre comprennent l'homogénéisation, le soulagement des contraintes, le recuit, le durcissement par précipitation, et bien d'autres encore.

Méthodes courantes de traitement thermique

Recuit

Le recuit est une méthode de traitement thermique qui consiste à chauffer un métal à une température donnée, puis à le refroidir lentement afin d'obtenir une microstructure affinée. Ce processus peut être réalisé de manière totale ou partielle en séparant les constituants. Cette méthode est généralement utilisée pour adoucir un métal en vue d'un écrouissage à froid, afin d'améliorer ses caractéristiques ou propriétés telles que l'usinabilité, la conductivité électrique, la ductilité et la ténacité.

Elle est utile pour soulager les contraintes présentes dans le métal, qui résultent des opérations d'écrouissage à froid antérieures. Lors de la recristallisation, la déformation plastique survenue est éliminée lorsque la température du métal dépasse la température critique supérieure.

Avec cette méthode de traitement thermique, les pièces à traiter peuvent passer par une grande variété de techniques. Ces techniques incluent, sans s'y limiter, le recuit partiel, le recuit complet, la recristallisation et le recuit final.

Les alliages ferreux peuvent subir un recuit de procédé ou un recuit complet. Dans ce cas, le recuit de procédé implique une vitesse de refroidissement plus rapide, jusqu'à la normalisation incluse, afin de produire une microstructure uniforme. Le recuit complet, quant à lui, implique un refroidissement lent produisant une forme de perlite grossière.

Pour les métaux non ferreux, ils sont le plus souvent soumis à une grande variété de méthodes de recuit. Cela inclut le recuit partiel, le recuit complet, le recuit de recristallisation et le recuit final.

Normalisation

La technique de traitement thermique par normalisation est utilisée lorsqu'il est nécessaire de soulager les contraintes internes. Ces contraintes peuvent être causées par des procédés tels que la coulée, le soudage ou la trempe. Ce processus nécessite de chauffer les pièces métalliques à une température supérieure de 40 °C à leur température critique supérieure.

La normalisation est également utile pour assurer l'uniformité de la taille et de la composition lorsqu'un alliage doit être créé. La normalisation peut aussi être appliquée aux alliages ferreux austénitisés qui ont été refroidis à l'air libre.

Cette technique est avantageuse car elle produit de la martensite, de la perlite et même de la bainite. On obtient ainsi un acier plus dur et plus résistant que l'acier recuit. Il est avéré que l'acier normalisé est plus tenace que tout acier traité thermiquement. C'est pourquoi les pièces destinées à supporter d'importantes charges externes ou à des applications nécessitant une résistance aux chocs sont toujours normalisées. Cela aide la pièce à satisfaire aux exigences requises pour le projet.

Soulagement des contraintes

Lorsque certaines pièces subissent des procédés tels que le formage, le laminage, le dressage ou l'usinage, cela laisse des contraintes internes spécifiques dans la pièce. Afin de soulager ces contraintes internes, la technique de traitement thermique par soulagement des contraintes est utilisée.

La technique de traitement thermique par soulagement des contraintes est utilisée pour réduire ou éliminer les contraintes qui se sont accumulées dans une pièce en raison des opérations techniques antérieures effectuées sur celle-ci. Elle est le plus souvent réalisée en chauffant les pièces à une température inférieure à la température critique, puis en les refroidissant de manière uniforme.

La technique de traitement thermique par soulagement des contraintes est utilisée sur des éléments tels que les chaudières, les réservoirs d'air, les récipients sous pression, et bien d'autres encore.

Vieillissement

Le vieillissement est également appelé durcissement par précipitation. Cette technique de traitement thermique est surtout connue pour son application dans l'augmentation de la limite d'élasticité des métaux malléables. Le mécanisme d'action de cette technique produit des particules uniformément dispersées dans la structure granulaire du métal, ce qui entraîne des modifications des propriétés.

Après la technique de traitement thermique qui atteint des températures élevées vient le durcissement par précipitation. Le vieillissement, quant à lui, ne fait qu'élever la température jusqu'à un niveau optimal puis la redescend rapidement.

Alors que certains métaux vieillissent naturellement (à température ambiante), d'autres vieillissent artificiellement – en substance, à des températures élevées. Il est très facile de stocker les métaux à vieillissement naturel à des températures plus basses. Les alliages à vieillissement naturel sont, dans certaines applications, conservés au congélateur pour éviter le durcissement jusqu'au moment de leur utilisation. Les alliages susceptibles de subir un durcissement par précipitation comprennent un alliage d'aluminium (séries 2000, 6000 et 7000), l'acier (acier maraging) et bien d'autres.

Trempe

La trempe ou trempe de durcissement consiste à chauffer les pièces au-dessus de leur température critique supérieure puis à ramener rapidement leur température à température ambiante. Le retour à température ambiante s'effectue en plaçant le métal chaud dans l'huile, la saumure, un polymère dissous dans l'eau ou un autre liquide approprié afin de durcir complètement la structure. Ce processus est réalisé de manière rapide. La trempe s'applique aux alliages ferreux comme aux alliages non ferreux. Tandis que les métaux non ferreux produisent des pièces plus molles que la normale, les alliages ferreux produisent une pièce plus dure.

La dureté après trempe de la pièce souhaitée dépend de la méthode de trempe utilisée et de la composition chimique du métal. La trempe s'applique aux métaux ferreux, notamment le fer et l'acier, et aux métaux non ferreux, notamment les alliages de nickel, de cuivre, d'aluminium et bien d'autres. Cependant, la plupart des métaux non ferreux produisent un effet inverse lorsqu'ils sont trempés. Ces matériaux comprennent l'aluminium, le cuivre ou le nickel, ainsi que les aciers inoxydables austénitiques comme le 316 et le 304.

Durcissement

Dans le domaine du traitement thermique, le durcissement est la technique la plus courante pour augmenter la dureté des pièces. Dans certaines situations, seule la surface de ces pièces est durcie.

Pour ce faire, la pièce destinée au traitement thermique est durcie par un traitement thermique à une température spécifiée, puis refroidie rapidement par immersion dans un milieu de refroidissement. Les milieux de refroidissement à utiliser comprennent, sans s'y limiter, la saumure, l'eau ou l'huile. Le produit final du traitement thermique par durcissement augmente la résistance et la dureté, mais la fragilité du matériau augmente simultanément.

Un type de procédé de durcissement est la cémentation, dans laquelle seule la couche externe des pièces métalliques présente une dureté. Cela signifie que la pièce obtenue aura un cœur plus mou mais une couche externe plus dure. Cette dureté de la couche externe est courante pour les arbres, car elle protège leur couche externe de l'usure du matériau.

Revenu

Le revenu est une technique de traitement thermique utilisée pour augmenter la résilience des alliages à base de fer tels que l'acier. Bien que les alliages à base de fer présentent un niveau élevé de dureté, ils sont souvent trop fragiles pour être utilisés dans la plupart des applications. Par conséquent, le revenu est utilisé pour modifier la ductilité, la dureté, la résistance et la fragilité afin de faciliter l'usinage. Pour ce faire, la pièce subit un traitement thermique sous le point critique, car une température plus basse réduit la fragilité tout en conservant la dureté de la pièce. En revanche, si une plasticité accrue est requise avec moins de dureté et de résistance, une température plus élevée est nécessaire.

Une autre approche consiste à acheter des pièces déjà durcies ou à durcir la pièce avant l'usinage. Contrairement à un traitement post-usinage, l'usinage peut être difficile, mais cela élimine le risque de variation des dimensions de la pièce. Ce procédé permet également d'éviter le recours à un atelier de rectification pour obtenir des tolérances ou des finitions serrées.

Décarburation

La décarburation consiste à éliminer le carbone de la surface des pièces souhaitées, soit par le processus normal d'oxydation lié au vieillissement, soit par application de chaleur. Il s'agit d'un phénomène de dégradation de surface lors du traitement thermique et du forgeage de l'acier. On peut également la décrire comme un processus métallurgique dans lequel la surface de l'acier est appauvrie en carbone. Cela se fait principalement par action chimique ou en chauffant la pièce en acier au-dessus de la température critique inférieure.

La teneur en carbone du métal influence sa dureté. Pendant le processus de décarburation, le carbone diffuse depuis la surface du métal, ce qui affaiblit le métal. Si le processus réduit la résistance du métal, il augmente également la déformation de cisaillement sous la surface du métal. Il diminue aussi la résistance à la fatigue tandis que le taux d'usure et la propagation des fissures augmentent.

Procédés courants de traitement thermique

Il existe une grande variété de techniques de traitement thermique utilisées dans le secteur de la fabrication. Chaque technique de traitement thermique donne des résultats différents, mais elles comportent des étapes communes, notamment :

• Chauffage
• Maintien en température
• Refroidissement

Chauffage

Dans la plupart des procédés de traitement thermique, le chauffage constitue la première étape. De nombreux alliages traitables thermiquement changent de structure lorsqu'ils sont chauffés à une température spécifique. À température ambiante, la structure d'un alliage peut être une solution solide, un mélange mécanique, ou une combinaison de mélange mécanique et de solution solide.

Par exemple, un mélange mécanique peut être comparé au béton, tout comme le sable et le gravier sont maintenus en un seul bloc par le ciment. De même, dans un mélange mécanique, les éléments et les composés sont visibles et sont maintenus ensemble par une matrice de métaux de base.

On parle de solution solide lorsqu'au moins deux métaux sont absorbés l'un dans l'autre pour former un seul bloc. Ainsi, lorsqu'un alliage se présente sous forme de solution solide, les éléments et les composés qui constituent la pièce sont absorbés les uns dans les autres.

À température ambiante, le métal sous forme de mélange mécanique passe en solution partielle, ou en solution solide, lorsqu'il est chauffé. Durant ce processus, les propriétés chimiques et la composition de la pièce peuvent être modifiées en taille de grain et en structure. Selon la technique employée, l'alliage peut se retrouver dans l'un des trois états expliqués précédemment.

Maintien en température

Cette étape est également considérée comme l'étape de maintien : le métal soumis au traitement thermique est maintenu à la température requise. Le métal doit rester à cette température jusqu'à ce que la chaleur soit répartie uniformément, ce que l'on appelle le maintien en température. La durée passée à cette température dépend des exigences. Par exemple, plus la masse de la pièce est élevée, plus le maintien en température est long. Un autre facteur influant sur la durée est le type de matériau.

Refroidissement

Une fois la pièce correctement maintenue en température, l'étape suivante consiste à la refroidir. La structure de la pièce peut alors subir des changements d'une composition chimique à une autre, revenir à sa forme d'origine ou rester identique. Selon la vitesse de refroidissement et le type de métal, un métal en solution solide peut rester inchangé pendant le refroidissement, se transformer en une combinaison des deux, ou se transformer en mélange mécanique. Il est intéressant de noter que le résultat est prévisible : la pièce devrait donc aboutir au résultat attendu.

Par conséquent, une grande variété de métaux peut être amenée à adopter des structures spécifiques afin d'accroître leur ténacité, leur dureté, leur résistance à la traction, leur ductilité, et bien d'autres propriétés encore.

Équipements nécessaires au traitement thermique

Pour obtenir un traitement thermique réussi, un contrôle strict de tous les facteurs influant sur le chauffage et le refroidissement de la pièce est nécessaire. Ce contrôle n'est possible que si l'équipement approprié est disponible et adapté aux exigences du projet. Le four utilisé doit donc être du type et de la taille appropriés, et sa température doit être contrôlée et maintenue dans les limites prescrites pour chaque opération.

De plus, les conditions atmosphériques à l'intérieur du four peuvent affecter l'état des pièces à traiter thermiquement. En outre, le milieu de trempe et l'équipement de trempe doivent être choisis en fonction du matériau utilisé et du procédé de traitement thermique. Enfin, il faut prévoir des équipements pour la manutention des pièces et des matériaux, le redressage des pièces et le nettoyage des métaux. Voici les différents types de fours nécessaires au procédé de traitement thermique :

• Four à charges : composé de chambres isolées dotées d'un système de chauffage, d'une enveloppe en acier et d'un accès à la chambre.
• Four à cloche : composé de couvercles amovibles appelés cloches, qui peuvent être abaissés sur la charge et le sole par une grue
• Four à cuve : la plupart ont été modernisés en fours à charges semi-continus dotés de chambres de refroidissement lent et de cuves de trempe intégrées.
• Four à chariot : également appelé four à sole mobile, il s'agit d'un four à charges de très grande taille doté d'un chariot isolé mobile pouvant entrer et sortir du four.
• Four à élévateur : le sole et le chariot sont amenés en position sous le four, contrairement au four à chariot
• Four à lit fluidisé : composé d'une cornue cylindrique fabriquée à partir d'un alliage haute température.
• Four à fosse : le four est construit dans une fosse et s'étend jusqu'au niveau du sol ou légèrement au-dessus
• Four à bain de sel : utilise divers sels pour le traitement thermique

Résumé

En conclusion, le traitement thermique consiste à utiliser des techniques de chauffage et de refroidissement contrôlés pour modifier les propriétés physiques des métaux afin de les améliorer. Ces métaux acquièrent ainsi la capacité d'être utilisés dans une grande variété d'industries. En outre, le traitement thermique est une étape essentielle du processus d'usinage de précision pour transformer les pièces et garantir que celles-ci se comportent comme prévu dans le cadre de vos projets.