Traitement thermique des métaux: Tout ce qu'il faut savoir

Les utilisateurs de métaux dans l'industrie manufacturière ont appris à améliorer de vastes variétés de métaux. La plupart du temps, il s'agit d'adapter leurs propriétés à la tâche à accomplir, par exemple la réaction à la chaleur. usinage de précision.

Il existe de nombreuses méthodes pour améliorer les métaux, l'une d'entre elles étant 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 son titre l'indique, cet article traite de tout ce qu'il faut savoir sur le traitement thermique des métaux.

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

Le traitement thermique est un processus général d'utilisation d'opérations de chauffage et de refroidissement à différents niveaux pour modifier les propriétés physiques des métaux (microstructure) tels que l'acier, l'aluminium et bien d'autres. L'objectif principal de ce traitement est d'améliorer les propriétés physiques et structurelles en vue d'une utilisation spécifique ou d'un travail futur du métal.

Il existe une grande variété de procédés de traitement thermique, parmi lesquels la cémentation, le recuit, le revenu, la décarburation, la normalisation, la trempe, le vieillissement, la trempe et bien d'autres encore. Bien que chacun de ces traitements thermiques produise des résultats différents sur le métal, ils impliquent tous trois étapes de base. Ces étapes sont le chauffage, le trempage et le refroidissement.

Les avantages du traitement thermique des métaux

Dans le monde de la fabrication, le traitement thermique des métaux est généralement utilisé et il s'agit d'un processus de chauffage et de refroidissement contrôlé avec précision. Le traitement thermique ne rend pas seulement le métal plus dur, il le rend également plus souple. L'adoucissement permet aux métaux de se prêter à des opérations telles que le forgeage à froid, l'usinage, l'emboutissage et bien d'autres encore. Le traitement thermique des métaux présente de nombreux avantages, dont les suivants :

• Amélioration de l'usinabilité ou de la maniabilité :

Le traitement thermique permet d'améliorer les possibilités de fabrication d'un métal. Il consiste à éliminer les contraintes internes résultant des processus de fabrication précédents, tels que le travail à chaud, le travail à froid, l'usinage, le soudage et l'emboutissage. Par exemple, si un métal est très difficile à plier ou à usiner, il peut être soumis à un recuit ou à une détente. Cela permettra de réduire la dureté de ce matériau. Si un matériau se déforme lorsqu'il est usiné, on peut le recuire ou le détendre pour l'empêcher de se déformer. 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. Les 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). Cette opération a pour but de rendre le matériau plus solide, plus durable, plus dur et plus résistant à l'usure. Cette méthode est la meilleure méthode couramment utilisée pour augmenter la durabilité de l'acier bon marché, notamment le 1018 ou le A-36.

La trempe localisée peut être effectuée par induction ou par flamme. Cela peut également permettre de 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 distorsion.

• Amélioration de la résistance et de la force

La ténacité et la résistance constituent un compromis, car l'augmentation de la résistance, mesurée par la dureté, peut contribuer à réduire la ténacité et à 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 permet d'augmenter la résistance du matériau. Cependant, le matériau devra être étiré ou trempé pour réduire la fragilité. L'ampleur de la trempe est déterminée par la résistance ultime requise pour la pièce. En outre, si le matériau reçu est trop fragile, il peut être traité thermiquement, soit retrempé, soit recuit, pour le rendre plus utilisable (ductile).

• Amélioration des propriétés magnétiques

De nombreux métaux, dont le 316 ou le 1008, ont tendance à gagner en magnétisme, ce qui se mesure par la perméabilité magnétique. Ce phénomène est principalement obtenu lorsque les matériaux en question sont durcis à l'aide de méthodes telles que l'usinage, l'estampage, le formage et le pliage. Outre le gain de magnétisme, il existe un type spécifique de processus de recuit qui contribue à réduire la perméabilité magnétique. Il est important de procéder à cette opération si la pièce est utilisée dans un environnement électronique.

Quels sont les métaux qui peuvent être traités thermiquement ?

Dans le monde du traitement thermique, les métaux ferreux représentent la majorité des matériaux traités. Les différentes qualités d'acier représentent environ 80% des métaux ferreux traités thermiquement. L'acier inoxydable et la fonte sont d'autres exemples de métaux ferreux pouvant être traités thermiquement. Cependant, d'autres métaux tels que le magnésium, l'aluminium, le nickel, le titane, la fonte, etc. L'aluminium, le nickel, le titane, le laiton, les alliages de cuivre et bien d'autres encore peuvent être traités thermiquement.

Traitement thermique de l'aluminium

Traitement thermique aluminium permet de renforcer et de durcir un sous-ensemble spécifique d'alliages d'aluminium. Il s'agit d'alliages corroyés et coulés qui sont durcissables par précipitation. Ces alliages d'aluminium durcissables par précipitation comprennent les nuances 2XXX, 6XXX, 7XXX et 8XXX. Le recuit peut également être nécessaire pour les pièces qui ont subi un durcissement par déformation au cours du processus de formage.

Le traitement thermique typique de l'aluminium comprend le recuit, le vieillissement naturel et artificiel, l'homogénéisation et le traitement thermique en solution. Bien que le traitement thermique de l'aluminium diffère de celui d'autres métaux tels que l'acier, la température du four peut varier entre 240 et 1000oF en fonction du processus exact utilisé.

Traitement thermique de l'acier

Comme indiqué précédemment, le métal ferreux le plus traité thermiquement est le suivant acier. L'ajustement de la teneur en carbone de l'acier est le traitement thermique le plus simple de l'acier. Il permet de modifier les propriétés mécaniques de l'acier. D'autres modifications sont apportées par le traitement thermique - par exemple en accélérant la vitesse de refroidissement à travers le point de transformation de l'austénite en ferrite. De même, l'augmentation de la vitesse de refroidissement de l'acier perlitique (0,77% carbone) à environ 200oC par minute génère un DPH d'environ 300, et le refroidissement à 400oC par minute fait passer le DPH à environ 400. L'augmentation de la dureté est attribuée à la formation d'une microstructure plus fine de perlite et de ferrite qui peut être obtenue lors d'un refroidissement lent à l'air ambiant.

En général, les processus de traitement thermique couramment utilisés pour l'acier comprennent le recuit, la trempe, le revenu, la boronisation, la cémentation, la cémentation, la nitruration, la décarburation, la trempe au cyanure, et bien d'autres encore. Cependant, toutes les nuances d'acier n'ont pas besoin de subir tous les traitements thermiques mentionnés, mais tous les aciers ont besoin d'être traités.

Traitement thermique de l'acier inoxydable

L'acier inoxydable est un autre métal pouvant faire l'objet d'un traitement thermique. Dans le cas de l'acier inoxydable, le traitement est généralement basé sur la nuance ou le type d'alliage. Les méthodes de traitement thermique, notamment la trempe, le détensionnement et le recuit, permettent de renforcer les propriétés de résistance à la corrosion et de ductilité de l'acier inoxydable au cours de la fabrication. Elles permettent également de créer une structure dure capable de résister à l'abrasion et à des contraintes mécaniques élevées.

Le traitement thermique de l'acier inoxydable est principalement effectué dans des conditions contrôlées afin d'éviter la décarburation, la carburation et l'écaillage de 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 traitement et recuit de stabilisation), la trempe, le détensionnement et bien d'autres encore.

Traitement thermique du titane

Titane et ses alliages subissent un traitement thermique pour réduire les contraintes résiduelles apparues au cours de la fabrication (Détente). En outre, ce traitement permet d'obtenir une combinaison optimale de stabilité dimensionnelle et d'usinabilité (recuit). Pour augmenter la résistance du titane et de ses alliages, le traitement en solution et le vieillissement sont utilisés. En ce qui concerne le traitement thermique, les alliages de titane sont classés en alliages alpha, quasi alpha, alpha-bêta ou bêta.

• Bien que les alliages de titane Alpha et quasi Alpha puissent être détendus et recuits, leur haute résistance ne peut être développée par aucun type de traitement thermique.
• Les alliages Beta commerciaux sont considérés comme des alliages de titane Beta métastables. Lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées, la phase Beta conservée se décompose et le matériau se renforce. Pour obtenir des alliages Beta, le vieillissement et le traitement de détente peuvent être combinés, tandis que le recuit et le traitement en solution peuvent être des opérations identiques.
• Comme leur nom l'indique, les alliages alpha-bêta sont des alliages à deux phases qui comprennent à la fois des phases alpha et 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 les caractéristiques les plus importantes du cuivre sont sa haute conductivité thermique et électrique, sa solidité, sa machinabilité, sa bonne résistance à la corrosion, son absence de magnétisme et sa facilité de fabrication. Les produits finis de la fabrication du cuivre sont généralement décrits comme des produits de fonderie et d'usine. Il peut s'agir de câbles et de fils, de bandes, de barres, de tubes, de pièces moulées, de formes obtenues par métallurgie des poudres, de feuilles, de plaques, de barres, de pièces forgées, etc. Ces produits sont fabriqués à partir de cuivre et de ses alliages et peuvent être traités thermiquement à des fins très diverses.

Les méthodes de traitement thermique les plus couramment utilisées pour le cuivre sont l'homogénéisation, le détensionnement, 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 à une vitesse lente qui produira une microstructure affinée. Ce processus peut être réalisé entièrement ou partiellement en séparant les constituants. Cette méthode est généralement utilisée pour adoucir un métal en vue d'un travail à froid afin d'améliorer ses caractéristiques ou propriétés telles que l'usinabilité, la conductivité électrique, la ductilité et la ténacité.

Elle permet d'atténuer les tensions dans le métal qui résultent des processus antérieurs d'usinage à froid. Lors de la recristallisation, la déformation plastique qui s'est produite est éliminée lorsque la température du métal franchit la température critique supérieure.

Avec cette méthode de traitement thermique, les pièces à traiter peuvent être soumises à une grande variété de techniques. Ces techniques comprennent, entre autres, le recuit partiel, le recuit complet, la recristallisation et le recuit final.

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

Les métaux non ferreux sont généralement soumis à une grande variété de méthodes de recuit. Il s'agit du recuit partiel, du recuit complet, du recuit de recristallisation et du recuit final.

Normalisation

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

Une autre utilité de la normalisation est d'assurer l'uniformité de la taille et de la composition lorsqu'un alliage doit être créé. La normalisation peut également être utilisée pour les alliages ferreux austénitisés qui ont été refroidis à l'air libre.

Cette technique est bénéfique car elle produit de la martensite, de la perlite et même de la bainite. Elle produit un acier plus dur et plus résistant que l'acier recuit. En fait, l'acier normalisé est plus résistant que n'importe quel acier traité thermiquement. C'est pourquoi les pièces qui doivent supporter des charges externes massives ou qui ont des applications de résistance aux chocs sont toujours normalisées. Cela permet à la pièce de répondre aux exigences de la pièce nécessaire au projet.

Soulagement du stress

Lorsque certaines pièces subissent des processus tels que le formage, le laminage, le redressage ou l'usinage, elles subissent des contraintes internes spécifiques. Afin d'atténuer cette contrainte interne, la technique du traitement thermique de détente est utilisée.

La technique de traitement thermique de détente est utilisée pour réduire ou supprimer les contraintes qui se sont accumulées dans une pièce en raison d'activités techniques antérieures réalisées sur ces pièces. Elle consiste principalement à chauffer les pièces à une température inférieure à la température critique, puis à les refroidir uniformément.

La technique de traitement thermique de détente est utilisée sur des articles tels que les chaudières, les réservoirs d'air, les cuves sous pression et bien d'autres encore.

Vieillissement

Le vieillissement est également connu sous le nom de durcissement par précipitation. Cette technique de traitement thermique est principalement 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 du grain d'un métal, ce qui entraîne une modification des propriétés.

Après la technique de traitement thermique qui permet d'atteindre des températures élevées, vient le durcissement par précipitation. Le vieillissement, quant à lui, ne fait qu'élever la température à un niveau optimal pour la faire redescendre rapidement.

Si certains métaux vieillissent naturellement (à température ambiante), d'autres vieillissent artificiellement, c'est-à-dire à des températures élevées. Il est très facile de stocker des métaux vieillissant naturellement à des températures plus basses. Dans certaines applications, les alliages vieillissant naturellement sont conservés au congélateur pour éviter qu'ils ne durcissent jusqu'au moment de leur utilisation. Les alliages qui peuvent subir un durcissement par précipitation comprennent un alliage d'aluminium (série 2000, série 6000 et série 7000), l'acier (acier maraging), et bien d'autres encore.

Trempe

La trempe ou le durcissement par trempe consiste à chauffer des pièces au-dessus de leur température critique supérieure pour les ramener rapidement à la température ambiante. Le retour à la température ambiante se fait en plaçant le métal chaud dans l'huile, la saumure, un polymère dissous dans l'eau ou un autre liquide approprié pour durcir complètement la structure. Ce processus est réalisé rapidement. La trempe s'applique aussi bien aux alliages ferreux qu'aux alliages non ferreux. Alors que les métaux non ferreux produisent des pièces plus molles que la normale, les alliages ferreux produisent des pièces plus dures.

La dureté trempée de la pièce souhaitée dépend de la méthode de trempe utilisée et de la composition chimique du métal. La trempe est utilisée pour les métaux ferreux, notamment le fer et l'acier, et les métaux non ferreux, notamment les alliages de nickel, de cuivre, d'aluminium et bien d'autres encore. Cependant, la plupart des métaux non ferreux produisent un effet inverse lorsqu'ils sont trempés. Il s'agit notamment de l'aluminium, du cuivre ou du nickel, de l'acier inoxydable austénitique tel que 316 et 304.

Durcissement

Dans le domaine du traitement thermique, la trempe est la technique la plus couramment utilisée pour augmenter la dureté des pièces. Dans certains cas, seule la surface de ces pièces est durcie.

Pour ce faire, la pièce souhaitée pour le traitement thermique est durcie par traitement thermique à une température spécifiée, puis elle est rapidement refroidie par insertion dans un milieu de refroidissement. Le milieu de refroidissement à utiliser comprend, entre autres, de la saumure, de l'eau ou de l'huile. Le produit final du traitement thermique par trempe augmentera la résistance et la dureté, mais la fragilité du matériau augmentera simultanément.

La cémentation est un type de processus de durcissement dans lequel seules les parties métalliques présentent une dureté de la couche externe. Cela signifie que la pièce obtenue aura un noyau plus mou mais une couche extérieure plus dure. Cette dureté de la couche externe est courante pour les arbres, car elle protège la couche externe de l'usure du matériau.

Trempe

Le revenu est une technique de traitement thermique utilisée pour augmenter la résistance 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 en dessous du point critique, car une température plus basse réduit la fragilité tout en maintenant la dureté de la pièce. En revanche, si l'on souhaite augmenter la plasticité tout en réduisant la dureté et la résistance, il faut augmenter la température.

Une autre approche consiste à acheter des pièces qui ont été durcies ou à durcir la pièce avant de l'usiner. Contrairement à un processus de traitement post-usinage, il peut être difficile à usiner, mais il élimine le risque de modification de la taille 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 de vieillissement de l'oxydation, soit par l'application de la chaleur. Il s'agit d'un phénomène de dégradation de la surface lors du traitement thermique et du forgeage de l'acier. Il peut également être décrit comme un processus métallurgique dans lequel la surface de l'acier est vidée de sa teneur en carbone. Cela se fait principalement par action chimique ou en chauffant la pièce d'acier au-dessus de la température critique inférieure.

La teneur en carbone d'un métal influence sa dureté. Au cours du processus de décarburation, le carbone se diffuse à partir de la surface du métal, ce qui conduit à l'affaiblissement du métal. Si ce processus diminue la résistance du métal, il augmente également la déformation par cisaillement sous la surface du métal. Il diminue également la résistance à la fatigue, tandis que le taux d'usure et la croissance des fissures augmentent.

Procédés courants de traitement thermique

Il existe une grande variété de techniques de traitement thermique utilisées dans l'industrie manufacturière. Chacune des techniques de traitement thermique donne des résultats différents, mais elles ont des étapes communes :

• Chauffage
• Trempage
• Refroidissement

Chauffage

Dans la plupart des processus de traitement thermique, le chauffage est la première étape. De nombreux alliages pouvant être traités thermiquement changent de structure lorsqu'ils sont chauffés à une température spécifique. À température ambiante, la structure d'un alliage peut être soit un mélange mécanique de solutions solides, soit une combinaison de mélanges mécaniques et de solutions solides.

Par exemple, un mélange mécanique peut être assimilé à du béton, car le sable et le gravier sont maintenus ensemble en une seule pièce par du 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.

Une solution solide est une solution dans laquelle deux ou plusieurs métaux sont absorbés par un autre pour former une seule pièce. Par conséquent, lorsqu'un alliage se présente sous la forme d'une solution solide, l'élément et les composés qui constituent la pièce sont absorbés l'un dans l'autre.

À température ambiante, le métal dans son mélange mécanique passe à une solution partielle ou solide lorsqu'il est chauffé. Au cours de ce processus, les propriétés chimiques et la composition de la pièce peuvent être modifiées au niveau de la taille des grains et de la structure. Il est possible que l'alliage se retrouve dans l'un des trois états expliqués plus haut, en fonction de la technique utilisée.

Trempage

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

Refroidissement

Une fois que la pièce a été correctement trempée, l'étape suivante consiste à la refroidir. La structure de la pièce peut alors passer d'une composition chimique à une autre, reprendre sa forme initiale ou rester inchangée. En fonction de la vitesse de refroidissement et du type de métal, un métal en solution solide peut rester le même pendant le refroidissement, se transformer en une combinaison des deux ou en un mélange mécanique. Il est intéressant de noter que le résultat est prévisible et que la pièce devrait donc finir comme prévu.

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

Équipement nécessaire pour le traitement thermique

Pour obtenir un processus de traitement thermique réussi, un contrôle étroit de tous les facteurs affectant le chauffage et le refroidissement de la pièce est nécessaire. Ce contrôle n'est possible que si l'on dispose de l'équipement adéquat et qu'il est adapté aux exigences du projet. Par conséquent, le four à utiliser doit être du type et de la taille appropriés, dans lequel la température doit être contrôlée et maintenue dans les limites prescrites pour chaque opération.

En outre, les conditions atmosphériques à l'intérieur du four peuvent affecter l'état des pièces à traiter thermiquement. En outre, le milieu et l'équipement de trempe doivent être choisis en fonction du matériau utilisé et du processus de traitement thermique. Enfin, il faut prévoir des équipements pour la manipulation des pièces et des matériaux, le redressement des pièces et le nettoyage des métaux. Les différents types de fours nécessaires au processus de traitement thermique sont décrits ci-dessous :

• Four discontinu : composé de chambres isolées dotées d'un système de chauffage, d'une coque en acier et d'un accès à la chambre.
• Four à cloche : composé de couvercles amovibles appelés cloches qui peuvent être abaissés au-dessus de la charge et du foyer par une grue.
• Four à caisson : la plupart des fours ont été transformés en fours discontinus semi-continus, avec des chambres de refroidissement lent et des réservoirs de trempe intégrés.
• Four à wagons : également appelé four à bogies, il s'agit d'un four discontinu de très grande taille doté d'un wagon isolé mobile qui peut être déplacé à l'intérieur et à l'extérieur du four.
• Four de type élévateur : la sole et le wagon sont roulés en position sous le four, contrairement au four à wagons.
• Four à lit fluidisé : composé d'une cornue cylindrique fabriquée à partir d'un alliage à haute température.
• Four à fosse : le four est construit dans une fosse et prolongé jusqu'au niveau du sol ou légèrement au-dessus.
• Four à bain de sel : utilise une variété de sel pour le traitement thermique.

Résumé

En conclusion, le traitement thermique est un moyen d'utiliser des techniques de chauffage et de refroidissement contrôlées pour modifier les propriétés physiques des métaux afin de les améliorer. En conséquence, ces métaux peuvent être utilisés dans un grand nombre d'industries. En outre, le traitement thermique est un élément essentiel du processus d'usinage de précision pour transformer les pièces et s'assurer qu'elles fonctionnent comme prévu pour vos projets.