classification et conditions des traitements thermiques

Classification et

conditions des

traitements thermiques:

du demi-produit à la pièce finie,

du cœur vers la surface.

Application à la grande série

Claude LEROUX

Séminaire Air liquide - Bodycote 2012 " La grande série" C. Leroux

1

Les matières concernées par les traitements

thermiques:

Aciers: toutes origines d’élaboration

Fontes: pièces moulées principalement

Alliages d’aluminium: laminés, pièces

moulées et forgées

Alliages de titane: laminés, pièces moulées et

forgées

Superalliages: pièces moulées et forgées

Alliages cuivreux: laminés, emboutis, pièces

moulées.

2



3

Niveaux d’intervention des

traitements thermiques

1. Après élaboration, avant livraison du

produit ou demi-produit

2. Lors des étapes de mise en œuvre;

3. Pour l’emploi final.

Rappel sur les objectifs des traitements

thermiques:

adoucir – élimination de

l’écrouissage et des contraintes –

homogénéiser – solubiliser les

précipités: détente, recuit, mise en

solution;


4


thermiques:

durcir par trempe (et revenu)

[aciers],


5

Variation de la dureté en fonction du %C

A3TS Bases métallurgiques pour les traitements superficiels

6

Relation dureté après trempe (100% de martensite) et % de carbone de

l’acier

Capacité de durcissement des aciers


thermiques:

durcir par mise en solution et

revenu de durcissement par

précipitation [ alliages d’aluminium,

alliages base nickel,

cuprobérylium];


7


thermiques:

durcir et développer des

contraintes superficielles en

compression par traitement

thermochimique et trempe :

cémentation, carbonitruration des

aciers;


8


thermiques:

durcir et développer des

contraintes superficielles en

compression par traitement

thermochimique ferritique:

nitruration, nitrocarburation des

alliages fer-carbone;


9


thermiques:

durcir et développer des contraintes

superficielles en compression par

trempe après chauffage superficiel

(induction, flamme, F.Laser,

F.Electrons) des alliages fer-carbone.


10

Milieux de chauffage utilisés en traitement

thermique (critère de classement)

Air (″traitements à l’air″)

Atmosphère gazeuse contrôlée (″traitements sous

atmosphère contrôlée″)

Atmosphère raréfiée ou vide (″traitements sous vide″)

Atmosphère sous pression partielle (″traitements

sous basse pression″)

Plasma (ou ionique) (″traitements assistés plasma″)

Sels fondus (″traitements en bains de sels″)

Lits fluidisés (″traitements en lits fluidisé″)

Séminaire Air liquide - Bodycote 2012 " La

grande série" C. Leroux 11


thermique (1/7)

Air : tous métaux, risque d’oxydation à

chaud. Traitement des fontes et demi-

produits en acier, des alliages

d’aluminium, des cuivreux (pb. de

coloration)


12


thermique (2/7)

Atmosphère gazeuse contrôlée:

Atmosphère neutre: azote, argon (tous

métaux): recuits, mises en solution,

revenus, détentes

Atmosphère active en équilibre pour

alliages ferreux: azote/méthanol – gaz de

générateur endothermique ou

exothermique – azote/hydrocarbure:

austénitisation des aciers


13


thermique (3/7)


Atmosphère active carburante azote/méthanol

(20 à 60%) – gaz de générateur endothermique

+ hydrocarbure (cémentation) + hydrocarbure et

ammoniac (carbonitruration)

Atmosphère décarburante ou réductrice

hydrogène (+ eau) – ammoniac craqué : recuits,

brasages, frittages

Atmosphère neutre ou en équilibre avec la

surface traitée


14


thermique (4/6)


Atmosphère active nitrurante ,

ammoniac + azote + additif éventuel

(protoxyde d’azote): nitruration

Atmosphère active nitrocarburante,

ammoniac + azote + hydrocarbure ou gaz

endothermique + CO ou CO2 :

nitrocarburation


15


thermique (5/7)

Atmosphère raréfiée ou vide 10-1 à

10-6 hPa: austénitisation des aciers,

mise en solution des superalliages,

des alliages de titane

Atmosphère purgée par mise sous

vide et réintroduction d’un gaz

neutre, azote (+ hydrogène), argon:

recuits, revenus


16


thermique (6/7)

Plasma ou ionique, purge sous vide et

introduction d’un gaz sous faible pression

et décharge luminescente, (plasma

d’azote et hydrogène pour nitruration

ionique


17


18

Plasma azote-hydrogène en nitruration ionique


thermique (6/7)

Sels fondus:

chlorures pour les T° élevées (T°> 500°C) + additifs pour

traitements thermochimiques (CN-, CNO-), restent utilisés

pour les nitrocarburations;

nitrates-nitrites pour les basses températures (T°< 500°C)

pour les maintiens lors des refroidissements (trempe

bainitique)

Lits fluidisés: média de particules en suspension dans un

gaz équivalent aux gaz d’atmosphère contrôlée


19


20

Diffusion

de métaux

chromisation

shérardisation

aluminisation

Diffusion de

non métaux

cémentation

carbonitruration

Nitrurations

nitrocarburations

Traitements dans

la masse

Recuits

Normalisation

Trempe et

revenu

Mise en

solution

Traitements superficiels

Thermochimiques Trempe après

chauffage superficiel

induction

flamme

laser

Faisceau d ’é

Traitements thermiques des aciers


21

Du demi-produit au produit fini chaque morceau d’acier peut

subir plusieurs traitements thermiques:

normalisation à l’état de livraison;

recuit isotherme pour usinage;

recuit de globulisation (ou globularisation) pour mise en

forme à froid et pour usinage des aciers riches en carbures

(100Cr6);

normalisation ou recuit isotherme après mise en forme à froid

des bas carbone globulisés;

différentes détentes interopérations;

traitement final pour emploi:

trempe et revenu dans la masse;

cémentation ou carbonitruration trempe et revenu;

trempe et revenu dans la masse + nitruration;

trempe et revenu dans la masse + trempe superficielle.

Quels sont les choix les plus fréquents à

prendre pour les aciers?

Cémentation carbonitruration ou trempe

superficielle par induction ?

Carbonitruration ou nitrocarburation ?

Trempe dans la masse ou traitement

superficiel (cas des roulements) ?

22 Séminaire Air liquide - Bodycote 2012 " La

grande série" C. Leroux

Possibilités données par les différents traitements

de durcissement superficiel



traitement Profondeur de

durcissement

Dureté

superficielle

Cémentation 0,3 à 3 mm (et +) 58 à 62 HRC

Carbonitruration 0,05 à 0,6 mm 58 à 64 HRC

Trempe

superficielle

0,5 à 15 mm Selon acier

45 à 60 HRC

Nitruration -

nitrocarburation

0,05 à 1 mm 450 à 1200 HV

selon acier


CEMENTATION BASSE PRESSION

400

450

500

550

600

650

700

750

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Profondeu r en mm

HV

1

Résultat avec l ’acétylène sur de faibles orifices

24

L’importance de la série détermine-t-elle le choix des traitements ?

Généralement, non.

Les performances techniques s’imposent,

lorsqu’il y a un choix entre plusieurs

solutions, les aspects coûts de matière, de

mise en œuvre avant et après traitements

(usinabilité par exemple, finition) et les

déformations induites sont des facteurs de

choix.



• La problématique de la grande série ?

satisfaire les exigences techniques dans

un temps compatible avec les besoins

volumiques de la production


26

• Les solutions?

utiliser des moyens de gros volumes

multiplier les moyens

utiliser des systèmes continus


27

• Les solutions?

exemple: assurer une production de 20 tonnes/jour (24 h), cycle 3

heures soit 833,33 Kg/h sécurisés à 1000 Kg/h

1 four, capacité 2,5 à 3 t/charge:

6 fours, capacité 500 kg/charge

1 four continu poussant, 1 charge de 90 à 100 kg toutes les 6

minutes (900 à 1000 kg/h, 30 charges dans le four).

Nota: les petites charges donnent des résultats métallurgiques et dimensionnels plus homogènes ainsi qu’un flux plus régulier.


28

Exemple d’un calcul de capacité présenté par ALD pour la cémentation BP d’engrenages


29

Pour un procédé donné, la gamme du traitement

thermique est avant tout déterminée par les lois

physiques, cependant:

Les moyens sont adaptés aux volumes et lorsqu’il

y a des alternatives de choix, ils sont faits en

fonction de la productivité et l’homogénéité des

résultats.

Les choix peuvent être différents selon qu’il y a

trempe ou refroidissement lent.

La trempe pièce après pièce comme la trempe sous

presse exige une adaptation des moyens en

amont



Rappel

Quelque soit l’importance de la série, il y a deux

grandes catégories de traitements thermiques:

les traitements destinés à favoriser la mise en

forme ou mise en œuvre;

les traitements thermiques produisant les

caractéristiques pour l’emploi final.



Les traitements thermiques destinés à favoriser

la mise en œuvre des aciers (1/5) :

recuits isothermes des aciers

recuits de globularisation des aciers

les normalisations

les recristallisations



Les traitements thermiques destinés à

favoriser la mise en œuvre des aciers (2/5) :

recuits isothermes des aciers pour favoriser

l’usinage des aciers bas et moyen carbone,

faiblement alliés: la recherche d’un

refroidissement homogène lors de l’opération de

soufflage entre l’austénitisation et le maintien

isotherme justifie de petites charges en continu




34

A + M

A

Ms

Ac3

Ac1

Diagramme TTT acier allié

Log temps

°C

A + F + C

(bainite)

A + F A + F + C

(perlite + ferrite) A + F + C

A + F + C

Mf

Palier de recuit

isotherme


35

Palier de recuit

isotherme


Structure en bandes

Structure homogène

Structure après trempe

36

Les traitements thermiques destinés à

favoriser la mise en œuvre des aciers (3/5) :

recuits de globularisation des aciers pour

favoriser l’usinage des aciers à haute teneur en

carbone (100Cr6) ou des aciers destinés à la

mise en œuvre à froid (forge, extrusion, filage):

le cycle exige des temps de maintien très longs

et des vitesses de refroidissement lentes

justifiant des fours à charge de grande capacité

(fours cloches)




Structure globulisée (ou globularisée) d’un acier

Ferrite

Globules de Fe3C

38

Les traitements thermiques destinés à favoriser la mise en œuvre des aciers (4/5) :

les normalisations des aciers globularisés : le moyen doit permettre d’obtenir des vitesses de refroidissement de la charge assez rapides.

les recristallisations des structures écrouiees par déformation plastique



Les traitements thermiques sur les demi-produits en acier (5/5) :

Trempe et revenu (lopins et barres)

Refroidissement contrôlé des aciers à durcissement thermomécanique (aciers micro-alliés ou à dispersoïdes) traitements dans la chaude de forge (exemple: vilebrequins d’automobile)




41

A noter au détriment des volumes de traitements

thermiques: une part non négligeable des

traitements de durcissement des aciers pour Rt =

800 à 1000 Mpa a été remplacée par les traitements

thermomécaniques contrôlés sur les aciers à

dispersoïdes. (application pour la boulonnerie de

classe 6,6 et 8,8)

Dans le cas de pièces forgées l’opération est

réalisée dans la chaude de forge (application aux

vilebrequins d’automobile)


42

Cycle thermique des aciers à dispersoïdes

T°C

temps

Ac1

Ac3

500°C

Refroidissement

rapide

Refroidissement

contrôlé

Les moyens utilisés pour la mise en œuvre des traitements sur demi-produits et les traitements thermiques destinés à favoriser la mise en œuvre:

les lignes de fours continus

fours à charge, fours de type pot ou cloche sur les coils de fils en acier

chauffage par induction




P / 44

Four sous atmosphère à bac de trempe incorporé


P / 45

Charges à l’entrée d’un four continu: arbres primaires


P / 46

Charges à l’entrée d’un four continu: pignons


Four à tapis

transporteur

47

Les traitements pour l’emploi final des aciers:

traitements de durcissement à cœur : trempe et revenu sous air ou sous atmosphère

Les recuits spéciaux comme les recuits magnétiques

traitements de durcissements superficiels Traitements thermochimiques: cémentation,

carbonitruration, nitrocarburation, nitruration

Durcissement superficiel par trempe (induction)



Exemples de trempe et revenu de produits de faible taille (< 200g) en aciers de construction

visserie-boulonnerie

Pièces décolletées: axes, rotules, pivots, poussoirs etc.

Pièces découpées-embouties

Trempe bainitique des aciers

Boucles de ceintures de sécurité

Fixations, réglages de ceintures de sécurité

Matériel type four à tapis transporteur: 250 à 3000Kg/h

49 Séminaire Air liquide - Bodycote 2012 " La grande série" C. Leroux

Exemples de trempe et revenu des aciers de construction

Roulements

Pièces mécaniques

Exemples de trempe et revenu des aciers à outils et spéciaux

Forêts – fraises – tarauds

Soupapes

Éjecteurs de moulage


Exemples de carbonitruration en fours à tapis:

Pièces découpées – embouties: éléments d’articulations de sièges, leviers.

poussoirs

Traitement en vrac (contrôle du chargement par pesage).

Traitement pièces rangées (éventuellement robotisé)


Équipements pour trempe – revenu et carbonitruration des aciers:

Fours à tapis transporteurs

Fours à cornue rotative

Fours à godets

Fours poussants

Fours à charge à bac de trempe incorporé

Fours à bains de sels

Fours à cloches mobiles




53

Fours sous vide


54

Four à sole élévatrice

Les moyens de cémentation:

fours à charge (batch) à bac de trempe incorporé charge 250 à 2000 kg

fours continus (poussant) capacité 1000 à 3000 kg/h

fours puits pas de limite

fours à cloche mobile pas de limite

fours multi-cellulaires (BP) charge 20 à 1000 kg/h



ICBP trempe au gaz en cellule froide

SAS de Chargement

Cellules de chauffe

Cellule trempe gaz 5 bar


57


58

Fours avec cellule de

trempe séparée et

module de transfert Documents ALD

Les moyens de trempe par induction:

machines de présentation pour trempe capacité jusqu’à ~ 1000 pièces/h selon forme et spécifications:

type carrousel

type défilé vertical centerless

machines spéciales




60

Machine à défilé horizontal

centerless

trempe d ’axes sans tête

4 postes de chargement

2 lignes de trempe possibles, les 4

pièces se poussent les unes les

autres

Cliché Bodycote


61


62

Traitement de vilebrequin


63

TRAITEMENTS THERMIQUES DES FONTES

RECUITS (dissolution des carbures)

DETENTES ( élimination des contraintes)

FERRITISATION ( élimination de la perlite, recherche de 100% de ferrite)

PERLITISATION (élimination de la ferrite, recherche de 100% de perlite)

TREMPE – REVENU (obtention de caractéristiques mécaniques)

TREMPE BAINITIQUE des fontes GS (ADI) (obtention de caractéristiques

mécaniques)

TREMPE SUPERFICIELLE (durcissement superficiel par trempe)

NITROCARBURATION (bénéfice de la couche blanche)


64

TRAITEMENTS THERMIQUES DES ALLIAGES

D’ALUMINIUM

RECUITS – RESTAURATIONS (action sur l’écrouissage)

DETENTES (éliminations des contraintes)

MISE EN SOLUTION TREMPE (T7) - MATURATION –

REVENU (augmentation de la résistance mécanique)

TRAITEMENTS SUB-ZERO (maintien sous trempe fraîche

pour assurer la mise en œuvre)


65


la mise en œuvre des alliages d’aluminium (à

traitement thermique):

mise en solution, maintien à T°< - 18°C les

ébauches sont prises au fur et à mesure.


66

Doc. SERTHEL


67

TRAITEMENTS THERMIQUES DES

ALLIAGES DE TITANE

RECUITS (homogénéisation, évolution de la

structure)

DETENTES (élimination des contraintes)

MISE EN SOLUTION - TREMPE – REVENU

(évolution des caractéristiques mécaniques)


68


ACIERS INOXYDABLES AUSTENITIQUES

& SUPERALLIAGES

RECUITS

DETENTES

MISE EN SOLUTION – REVENU (exemples:

aciers type 17-4 PH, aciers maraging, alliages

Inconel)


69


la mise en œuvre des superalliages:

mise en solution, le durcissement est réalisé

après usinage ou mise en forme

hypertrempe des inox (terme déconseillé)


70


ALLIAGES CUIVREUX

RECUITS – RESTAURATIONS (action sur

l’écrouissage)

DETENTES (élimination des contraintes)

MISE EN SOLUTION / TREMPE – REVENU

(durcissement, Cu-Be, Cu-Al-Ni)

Les opérations complémentaires ou associées

aux traitements thermiques

Parachèvements mécaniques: nettoyages, grenaillage de précontrainte

Dépôts et revêtements (PVD, PACVD), vernis

Les traitements thermochimiques particuliers: chromisation, chromaluminisation, shérardisation, boruration...

Les brasages au four

Séminaire Air liquide - Bodycote 2012 " La

grande série" C. Leroux 71