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République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DES MINES ET METALLURGIE ENSMM-Annaba-

Département science et génie des matériaux

Mémoire de fin d’études

INGENIEUR : Science et Génie des Matériaux

Présenté(e) par : - Baaloul khawla.

-Djedouani kheira.

Encadré(e) par : -Pr. Zehzouh Moussa

Membres du jury : - Dr Bendjedou.L

- Pr Benoudia.M

Juin 2015

THEME : Evaluation des

propriétés mécaniques (dureté)

d’un acier 42CD4.

ENSMM-ANNABA

Sommaire Introduction générale ……………………………………………. 1

Chapitre I : Etude bibliographique.

I.1- Préambule …………………………………………………...

I.2- Introduction …………………………………………………

4

5

I.3- Généralité sur le forgeage …………………………………… 5

I.3.2- Le forgeage à chaud ………………………………………. 6

I.3.3- Les outils de forgeage …………………………................. 8

I.4- Les traitements thermiques …………………………………. 8

I.4.1- Les traitements thermiques de l’acier …………………….. 9

I.4.1.1- Les recuits ……………………………………................ 9

I.4.1.1.1- Traitement d’homogénéisation ……………………….. 10

I.4.1.1.2-Traitement d’affinage structural ………………………. 11

I.4.1.1.3- Traitement de normalisation ………………………… 11

I.4.1.1.4- Recuit d’adoucissement ………………………………. 11

I.4.1.1.5- Recuit complet ………………………………………… 12

I.4.1.1.6 - Le recuit isotherme …………………………………………………… 12

I.4.1.1.7 -Recuit de détente ……………………………………... 12

I.4.1.1.8- Recuit de globulisation ……………………............... 12

I.4.1.2- L'austénitisation ………………………………………... 13

I.4.1.2.1- Les éléments d’alliages agissent sur le processus

d'austénitisation …………………………………………………

13

I.4.1.2.2 - La trempe …………………………………………….. 19

I.4.1.2.3- Les milieux de refroidissement ………………………. 20

I.4.1.2.4 -Les fluides de refroidissement utilisés ……………….. 21

I.4.1.2.4.1- Les fluides liquides …………………………………. 21

I.4.1.2.4.2- Les fluides gazeux ………………………………….. 22

I.4.1.2.4.3- Les milieux mixtes …………………………………. 22

I.4.1.2.5- Les facteurs influençant la trempe ………………….. 22

I.4.1.2.6- La trempabilité et pénétration de trempe …………… 23

I.4.1.2.6.1- Facteurs influençant la trempabilité ………………. 23

I.4.1.2.6.2- Détermination de la trempabilité ………………….. 24

I.4.1.3- Le revenu ……………………………………………….. 24

I.4.1.3.2-Les transformations structurales lors du traitement

thermique ………………………………………………………..

25

I.4.1.3.2- Caractéristiques mécaniques de résistance statique … 26

I.5- Les problèmes rencontrés après traitement thermique des

aciers …………………………………………………………….

27

I.5.1- La surchauffe ……………………………………………... 27

I.5.2- Les tapures ……………………………………………….. 28

I.5.3- La reprise du traitement ………………………………….. 28

I.5.3.1- Les incidents rencontrés après le traitement thermique et

nécessite une reprise …………………………………………….

29

I.5.4- L’oxydation et la décarburation …………………………. 29

I.5.4.1- Généralité ………………………………………………. 29

I.5.3.2- L’oxydation …………………………………………….. 29

I.5.3.3- La décarburation ……………………………………….. 29

I.5.3.4- Effets négatifs de la décarburation et de l'oxydation …... 30

I.6- Le mécanisme de décarburation …………………………… 30

I.6.1- La diffusion ………………………………………………. 31

I.6.2- La diffusion du carbone …………………………………. 31

I.6.3- Les lois de diffusion ……………………………………… 31

I.6.3.1- La première loi de Fick ………………………………… 32

I.6.3.2- La deuxième loi de Fick ………………………………… 32

Chapitre II : Etude expérimentale.

II.1- L’objectif de l’étude ……………………………………….. 33

II.2- Le matériau utilisé …………………………………………. 33

II.2.1- Désignations normalisées ………………………………... 33

II.2.2- Analyse chimique moyenne ……………………………... 33

II.2.3- Caractéristiques de la nuance …………………………… 33

II.2.3.1- Caractéristiques mécaniques moyennes ………………. 33

II.3- La gamme de fabrication de la pièce étudiée …………….. 34

II.4- Montage et fonctionnement de croisillon différentiel …… 35

II.5- La gamme de traitement thermique ………………………..

II.5.1 La trempe ………………………………………………….

35

35

II.5.2 Le revenu …………………………………………………. 37

II.5.3- La nitruration ……………………………………………. 38

II.5.4- Les caractéristiques techniques des fours de traitements

thermiques ……………………………………………………….

38

II.6- Prélèvement des échantillons ………………………………. 38

II.7Techniques de caractérisation ………………………………. 39

II.7.1 L’analyse chimique ……………………………………… 39

II.7.2 Etude métallographique ………………………………….. 39

II.7.3Essai de dureté …………………………………………….. 41

II.7.4 Essai de microdureté ……………………………………… 42

II.8 Trempe pour différentes vitesses de refroidissement ……… 43

II.9 Essai de Jominy ……………………………………………. 44

Chapitre III : Résultats et interprétations.

III.1- Résultats de la spectroscopie …………………………….. 47

III.2- Observation métallographique …………………………… 47

III.3- Résultats de la dureté …………………………………….. 52

III.4- Résultats de la microdureté ………………………………. 52

III.5- Résultats de profil de concentration (MEB) …………….. 53

III.6-Résultats de la trempe pour différentes vitesses de

refroidissement …………………………………………………..

53

III.6.1- Observation métallographique …………………………. 53

III.6.2- Résultats de la dureté …………………………………… 56

III.6.3- Argumentation des résultats obtenus ………………….. 57

III.7- Résultats de l’essai de Jominy ……………………………. 58

Conclusion ……………………………………………………….. 59

Liste des figures Figure I.1 : Le cheminement de la pièce étudiée 4

Figure I.2 : Forgeage avec la matrice d'une billette 6

Figure I.3 : Les types différents de recuit. 10

Figure I.4 : Le diagramme d’équilibre Fe-C. 13

Figure I.5 : Influence de la teneur en Chrome sur le domaine austénitique. 17

Figure I.6 : Influence de la teneur en molybdène sur le domaine austénitique. 19

Figure I.7 : La courbe TRC de la nuance étudiée 42CrMo4 20

Figure I.8 : Courbe TTT isotherme. 25

Figure I.9 : Dureté des martensites en fonction de la teneur en carbone pour les

trois types de revenu.

27

Figure II.1 : Le croisillon différentiel. 35

Figure II.2 : Schéma de mouvement du véhicule en virage. 35

Figure II.3.1 : Schéma d’emplacement des satellites sur le croisillon. 36

Figure II.3.2 : Vue de différentielle. 36

Figure II.4 : Cycle de traitement thermique. 37

Figure II.5 : Spectromètre à arc électrique. 39

Figure II.6 : Vue d’une Polisseuse. 40

Figure II.7 : Vue d’un Microscope optique. 41

Figure II.8 : Vue d’un Microscope électronique à balayage. 41

Figure II.9 : Duromètre Vickers. 42

Figure II.10 : Vue d’un microduromètre. 43

Figure II.11 : Le Four électrique. 43

Figure II.12 : Schématisation de la trempe en bout. 44

Figure II.13 : Emplacements des points de mesure de dureté de l'essai Jominy 45

Figure II.14 : Les éprouvettes de l’essai de Jominy. 45

Figure II.15 : Système de refroidissement de l’essai de Jominy. 46

Figure III.1 : La micrographie à différents grossissement (a,b) microscopie à

balayage (c) de l’échantillon brut .

48

Figure III.2 : La micrographie de l’échantillon forgé à différents grossissement. 49

Figure III.3 : La micrographie de l’échantillon traité (a) et microscopie à balayage

a différents grossissement (b, c).

50

Figure III.4 : La micrographie (a,b,c,d) et microscopie à balayage (e,f) de

l’échantillon décarburé au cœur (a,b,e) et a la surface (c,d,f) à différents

grossissement.

51

Figure III.5 : Profil de microdureté de l’échantillon décarburé D3. 52

Figure III.6 : profil de concentration de l’échantillon décarburé. 53

Figure III.7 : La micrographie de l’échantillon trempé à l’eau (b,c) à différents

grossissement et une fissure apparait lors du traitement (a).

54

Figure III.8 : La micrographie de l’échantillon trempé à l’huile (a,b) à différents

grossissement.

55

Figure III.9 : La micrographie de l’échantillon trempé à l’air à différents

grossissement.

56

Figure III.10 : Diagramme TRC de la nuance 42CD4 avec l’illustration des

courbes de refroidissements des échantillons trempés.

57

Figure III.11 : La courbe de l’essai de Jominy de la nuance 42CD4. 58

Liste des tableaux : Tableau II.1 : Composition chimique moyenne de la nuance. 33

Tableau II.2 : les caractéristiques techniques de la pressede groupe de marteau

(2Tonnes) utilisée pour fabriquer le croisillon différentiel.

34

Tableau II.3 : les caractéristiques techniques des fours de traitements

thermiques.

38

Tableau III.1 : La composition chimique du lopin. 47

Tableau III.2 : La composition chimique de la pièce décarburée. 47

Tableau III.3 : Les résultats de dureté des différents échantillons 52

Tableau III.4 : Résultats de mesure de dureté des échantillons trempés à

différents milieux de refroidissement.

56

Tableau III.5 : Résultats de mesure de dureté des échantillons après revenu. 57

Introduction Générale

Page 1

INTRODUCTION GENERALE :

Ce travail trouve son origine dans une préoccupation industrielle liée à la fabrication des pièces

forgées et plus précisément le croisillon différentiel des tracteurs. Avant de devenir un croisillon, la

barre généralement cylindrique suit un long processus de traitement thermique et de mise en forme

par forgeage au cours duquel plusieurs problèmes techniques ou scientifiques peuvent intervenir.

Nous nous intéressons dans ce cadre au problème qui prend naissance pendant le traitement à haute

température, pratiquement dès le début du processus de fabrication qui est celui de la décarburation.

Le matériau utilisé est un acier 42CD4 livré en barre cylindrique à l’état traité (trempe- revenu). Il

est dirigé vers les ateliers de forgeage (estampage) pour lui donner la forme d’un croisillon, à la

suite de quoi il subit un traitement de trempe à la température de 880oC dans un bain d'huile, suivi

d’un revenu à une température de 580oC. Ce cycle de traitement devrait lui conférer les propriétés

métallurgiques et mécaniques recherchées. Au niveau du contrôle qualité on arrive de mettre en

évidence une modification microstructurale comme le grossissement des grains, une chute ou

élévation de dureté, induits par un temps de chauffage prolongé ou un mauvais refroidissement. Un

traitement supplémentaire s’impose pour corriger ces défauts afin d’obtenir une dureté conforme

aux normes. Cette reprise de traitement pourrait conduire à la décarburation en surface de l’acier.

Or cet élément carbone est le plus important dans la composition des aciers puisqu'il contribue très

fortement à augmenter ses propriétés mécaniques, en particulier la dureté ·et sa résistance à diverses

sollicitations, d’où l’intérêt accordé a ce phénomène dans le cadre de cette étude.

Le phénomène est aggravé par la répétition itérative (deux à trois fois) de ce traitement

provoquant une décarburation sur une couche supérieure à la surépaisseur d’usinage, d’où le rebut

du produit ayant une incidence négative sur le plan économique (matière première, énergie,

temps..).

Le travail entamé dans le cadre de ce mémoire est dédié à l’étude des phénomènes

métallurgiques susceptibles de se produire au cours de la fabrication du produits en l’occurrence la

décarburation entrainant une chute des propriétés mécaniques conduisant à un rebut pour non-

conformité. Préalablement, l’étude de la séquence des opérations que devrait subir le matériau de

l’état brut à l’état fini s’avère nécessaire afin de cerner les causes à incriminer dans l’apparition des

phénomènes suscités.

solution retenue est donc de bien connaître la décarburation pour mieux en maîtriser son

contrôle, il est donc nécessaire de contrôler l'ampleur de la décarburation et d'en extraire un critère

permettant d'apprécier judicieusement son étendue. Là encore, on sait quels sont les outils mis à la

disposition du contrôleur pour étudier les modifications microstructurales. Les deux méthodes


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généralement utilisées nécessitent une découpe de la barre ou d'un échantillon de même nature que

la barre qui aurait suivi le même processus de traitement thermique. La première technique est une

observation métallographique après une attaque chimique au Nital de la section transversale. Les

modifications microstructurales sont alors bien visibles en microscopie optique comme le montre à

titre d'exemple cette photographie d'un acier ferrito-perlitique décarburé.

Micrographie d'un acier ferrito-perlitique décarburé.

Par contre, il est clair que la limite entre la zone affectée et le cœur supposé sain du matériau

est difficile à déterminer. C'est la raison pour laquelle on adjoint souvent à cette technique de

contrôle l'établissement d'un profil de microdureté qui ne dépend pas, ou dans des proportions

moindres, de l'opérateur. La comparaison des deux méthodes permet alors d'estimer avec plus de

précision la profondeur sur laquelle la décarburation a eu lieu.

Dans notre travail on a fait une étude de l’ampleur de décarburation par les deux méthodes

mentionnées précédemment en plus d’un profil de concentration des éléments par le microscope

éléctronique à balayage, on a étudié aussi la trempabilité de l’acier par la trempe des échantillons de

à différents milieux de refroidissement et la pénétration de trempe par l’essai de Jominy.

Notre travail donc est divisé en trois chapitres :

Chapitre I : Présente des généralités sur le procédé de forgeage, des notions sur les

traitements thermiques des aciers, les différents défauts des traitements thermiques, et

particulièrement la décarburation superficielle des aciers et son mécanisme.

Chapitre II : Est consacré à une généralité sur la nuance 42CD4 étudiée, une définition de

croisillon différentiel avec sa gamme de fabrication. Il présente ensuite les différentes méthodes de

caractérisation que nous avons utilisée.


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Chapitre III : Résume les différents résultats trouvés concernant la couche décarburée, les

microstructures obtenues, la trempabilité de l’acier avec les interprétations pour ces résultats.

Enfin, nous terminons par une conclusion qui regroupe un bilan de notre travail en mettant

en évidence ces résultats, ces limites, ainsi que les perspectives que nous pouvons dès maintenant

proposés.

Présentation de l’entreprise

1. Historique :

La construction du Complexe Industriel Moteurs Tracteurs (à l’époque nommé par

abréviation "CIMOTRA") a débuté en 1970. Le premier tracteur en est sorti le 02 Février 1974 avec

la collaboration de deux grandes firmes allemandes : la DIAG comme constructeur et KHD comme

donneur de licence DEUTZ, dans le cadre de la politique de développement industriel en Algérie

ainsi que la couverture du marché national en moteurs et tracteurs agricoles. La restructuration

organique intervenue en 1982 a donné naissance à 11 entreprises nationales. Parmi lesquelles

l’Entreprise publique économique de production du machinisme Agricole l’EPE/PMA à laquelle

était rattaché le complexe Industriel Moteurs Tracteurs sous une nouvelle appellation CMT. En

1997 CMT devient entreprise indépendante et autonome avec le statut d'entreprise publique

économique, société par action EPE/Spa, dont l'objet est la fabrication des moteurs et des tracteurs

agricoles.

En 2009, l'EPE CMT Spa a fait l'objet d'une scission pour donner naissance à deux sociétés :

L’Entreprise Tracteurs Agricoles EPE ETRAG Spa dont l'objet est la fabrication et le

développement des tracteurs agricoles, et l'Entreprise Moteurs EPE EMO Spa.

2. Partenariat

L’entreprise ETRAG a conclu un partenariat industriel et commercial avec AGCO Massey

Fergusson, l’un des leaders mondiaux dans la fabrication du machinisme agricole, par la création en

date du 16 Août 2012 d’une joint-venture (société mixte) de droit Algérien, dénommée Algerian

Tractors Company par abréviation ATC Spa ; les principaux actionnaires sont :

- ETRAG 36%

- PMAT (Production Métallique Agriculture Tracteur) 15%

- AGCO Massey Fergusson 49%

Dans une première étape, 3.500 engins entre tracteurs de 46 (2 et 4 roues motrices), de 82 (2

et 4 roues motrices) et de 150 CV (4 roues motrices), sortiront annuellement de l’usine d’Eloued

Hamimime où la production devrait atteindre, au bout de 5 années, 5.000 tracteurs/an.

A ce titre de ce partenariat qui obéit à la règle des 51/49% relative à l’investissement étranger, le

management opérationnel de l’usine de l’ETRAG, sera réorganisé, modernisé et ainsi confié à la

partie américaine. Cette nouvelle joint-venture s’inscrit dans le cadre de la politique initiée par les

pouvoirs publics pour le redressement industriel national et la relance du secteur mécanique. En

plus des 700 emplois devant être créés dans le cadre de cette joint-venture, de nouveaux postes de

travail seront assurés par les PME versées dans le domaine de la sous-traitance mécanique.


3. Historique de la production:

Le projet de démarrage concernant la production des tracteurs a été lancé en 1972, selon

l’évolution de la gamme des produits suivante:


4. Fiche technique de l’établissement:

Elle est présentée ci-dessous :

5. Présentation des différentes Divisions/Directions

1. Secrétariat général (SG) :

Le Secrétariat général est chargé de piloter l’ensemble des structures placées directement

sous sa responsabilité, d’orienter et de coordonner toutes les divisions de l’entreprise. Il élabore la

stratégie de l’entreprise et la présente aux organes de gestion légaux, met en oeuvre des décisions


arrêtées par ses organes légaux. Il a aussi pour mission de présenter des comptes rendus sur les

résultats obtenus, de contrôler le fonctionnement de l’ensemble des structures de l’entreprise ;

préparer les réunions des conseils d’administration et la réunion trimestrielle d’évaluation. Pour la

réalisation de ses tâches, le Secrétariat Général est aidé par des assistants et d’un service relations

extérieurs. La structure du SG comprend :

- Direction juridique (DJD)

- Département contrôle de gestion (DCG)

- Département Hygiène et sécurité (DHS)

- Section relations extérieurs.

2. Division production (DP) :

C’est la division de base de l’entreprise, Le potentiel industriel d’ETRAG est structuré selon

une spécialisation technologique interdépendante :

- Direction Fabrication Brut

Direction Fabrication Mécanique

- ATC (centre de profit montage)

Ces directions sont soutenues par une direction technique regroupant les activités d’étude et le

développement ainsi que les méthodes et la maintenance.

A. Direction fabrication brut (DFB) :

Cette direction est chargée de fabriquer des pièces de forge et de tôlerie, d'assurer les

besoins des autres processus de fabrication en matière de pièces brutes en fonte et en aluminium

suivant des exigences techniques de fonctionnalité et de délais . Elle a également une autre activité

qui réside dans la réalisation des programmes de sous-traitance concernant les commandes des

clients, émises par la division commerciale. Elle est composée de deux départements et un service :

1/Département Fonderie:

Ce département est spécialisé dans la fabrication des pièces en fonte ou en aluminium pour

moteurs, tracteurs, machines-outils et divers. La fonderie consiste à :

La fabrication manuelle et automatique des moules en sable et charbon dans des châssis

métalliques

La fabrication de noyaux en sable avec du sable et des liants synthétiques

La coulée de la fonte liquide à partir de fours électriques et refroidissement

Décochage et l’ébarbage de pièces de fonte grises.


A. Atelier de Fusion de la fonte :

C’est le lieu de fabrication de la fonte et sa préparation pour la coulée, cet atelier a pour

objectif de satisfaire les deux ateliers de production moulage mécanique et moulage à main en

matière première (métal liquide) pour la réalisation du programme annuel.

- Moyen de production et installation :

L'atelier fusion de la fonte dispose de trois fours à induction :

- Un four de maintien à canal capacité 20T en métal liquide d’une puissance de 500KVA; sa

température maximale de coulée est de l’ordre de 1500 °C

Deux (02) fours à induction de capacité 3T et 5T d’une puissance respective de 750 KVA et 900

KVA; leurs température maximale de coulée est de l’ordre de 1550°C.

B. Atelier de moulage mécanique et de noyautage :

Cet atelier assure la production des pièces brutes en fonte pour le tracteur et le moteur

suivant le procédé secousse et pression ainsi que la fabrication des noyaux suivant le procédé

croning. Le moulage mécanique comporte une sablerie et trois chantiers de moulage (petites,

moyennes et grosses pièces), le noyautage mécanique quant à lui, utilise un procédé de type

Croning, il dispose de 12 machines à tirer les noyaux de différentes dimensions.

C. Atelier moulage manuel et parachèvement :

Il est destiné à la production des pièces brutes en fonte pour le tracteur, le moteur et la sous-

traitance ainsi que la finition et la peinture des pièces brutes coulées. Toutes les pièces sont

acheminées par un chariot transporteur vers le parachèvement, le déchargement se fait par pont et

potence. Les petites et moyennes pièces sont disposées dans les paniers, les grosses pièces sont

disposées sur des chariots.

D. Atelier de l’aluminium :

La production et finition des pièces brutes en aluminium pour les moteurs et les tracteurs,

par injection et par gravitation est assurée au niveau de cet atelier.

2/Département de la Forge Chaudronnerie:

- Atelier de forge :

Le forgeage est la transformation du métal sous l'action de déformation à chaud. Il est

particulièrement adapté pour les pièces nécessitant des performances mécaniques élevées.

L'estampage (forgeage) passe par plusieurs opérations successives de déformation pour obtenir la

forme demandée qui n'est autre que l'empreinte de la matrice utilisée (au niveau de la section de

forge).Par la suite un traitement thermique est réalisé pour obtenir les caractéristiques


métallurgiques exigées. Les principales pièces forgées sont : les vilebrequins, les bielles, les demi-

axes, les différents pignons.

L’atelier de forgeage se compose de deux sections :

- Section Forge

Section Normalisation et finition.

- Atelier de soudure et tôlerie :

La technologie employée dans ce cas est la déformation de la tôle à froid (estampage,

emboutissage). L’estompage à froid permet d’obtenir à partir d’une feuille de tôle, un objet dont la

forme n’est pas développable où l’on fabrique les pièces d’habillage des produits d’ETRAG

notamment les capots, les réservoirs de carburant...etc.

La tôlerie a pour mission de fabriquer l'ensemble des pièces en tôle pour le tracteur et les moteurs.

Les travaux de tôlerie sont exécutés sur divers emplacements tels que : la presse excentrique, la

plieuse, la guillotine et le poinçonnage.

La soudure a pour rôle de réaliser des assemblages de pièces finies, en utilisant différents

procédés tels que : brasage, pointage, soudage au CO2.

L'atelier Soudure/Tôlerie se compose de deux sections :

- Section Tôlerie

- Section Soudure.

Quant qu’au service « Lancement et suivi Fonderie et Forge », il se compose de deux sections :

- Section lancement et suivi fonderie

- Section lancement et suivi chaudronnerie.

B. Direction fabrication mécanique (DF) :

Cette Direction de Fabrication mécanique est chargée de mettre à la disposition du montage

des pièces conformes aux exigences techniques pour la réalisation du programme de production et

des commandes des pièces de rechange. Elle se compose de deux départements et un service qui

sont : le département Usinage, le département Usinage en Chaîne et le service Ordonnancement.

1/Département d’usinage: Il est subdivisé en trois ateliers :

- Atelier de Tournage : il est basé sur la technologie de tournage (pièces rondes- prismatique), il

comprend des tours conventionnels, semi automatiques et numériques partagés sur des sections. Il

exécute des opérations de mise en forme de la pièce brute forgée et étirée.

- Atelier de traitements thermiques : il est spécialisé dans les traitements thermiques de

cémentation, trempe et revenu trempe sous presse et par induction, traitement de surface telle que la

galvanisation et la phosphatation.


- Atelier de Tournage : il est destiné au taillage des engrenages et rectification : ce dernier a pour

but la réalisation des dentures droites, hélicoïdales et spiraux coniques ainsi que le rodage du couple

conique, le brochage des pièces cannelés, rasage et rectification dentures ainsi la rectification des

diamètres intérieurs, extérieurs et de face.

- Service ordonnancement : Il a pour objectif d’assurer le suivi des ordres de fabrication selon un

délai projeté.

2/Département Usinage en chaine:

- a. Atelier usinage en chaîne : Il regroupe des lignes d’usinage spécialisées chacune dans

l’ensemble des opérations d’usinage d’une pièce. On y réalise : les blocs moteurs, les bielles, les

cylindres moteurs, les culasses, les vilebrequins et les arbres à came.

- b. Atelier usinage mixte : Ce dernier est spécialisé dans la fabrication des grosses et petites

pièces, il est divisé en sept sections : Section grand perçage, section petit perçage, chaine

cinématique, section alésage, section grand fraisage, section petit fraisage, section fourchette.

C. ATC / ALGERIAN TRACTORS COMPANY (Centre de profit montage)

En 2012, une nouvelle société fut créée : ATC Spa ETRAG a conclu un partenariat industriel

et commercial avec AGCO Massey Fergusson, l’un des leaders mondiaux dans la fabrication du

machinisme agricole, par la création en date du 16 Août 2012 d’une joint-venture (société mixte) de

droit Algérien, dénommée Algerian Tractors Company par abréviation ATC Spa.

Actuellement, la principale activité de ATC est le montage du tracteur C6807 dont les pièces sont

livrées par ETRAG, elle a pour objectif d’atteindre une production de 5000 tracteurs par an. Le

département production : constitué de 3 principaux ateliers et qui sont l’, Atelier transmission,

Atelier peinture.

Le département technique qui contient trois services Service méthodes, Service lancement et

suivi, Service maintenance usinage.

3/Division technique (DT) :

Elle comprend les directions suivantes :

- Direction technique (DTK)

- Direction maintenance (DM)

- Direction investissement (DI)

4/Division planification et systèmes d’information (DPSI) :

Elle comprend deux directions :

- Direction Systèmes d’Information (DSI)

- Direction Planification Matière (DPM)


5/Division commerciale (DC) :

La division commerciale comprend deux directions :

- Direction approvisionnement (DAP)

- Département commercial (vente)

6/Division administration et finances (DAF) :

Cette division comporte deux directions :

- Directions des Finances et Comptabilités (DFC)

- Direction des Ressources Humaines (DRH)

- Direction Administration Générale et Protection de l’Environnement (DAGE)

Chapitre I Etude bibliographique

Chapitre II

Etude expérimentale

Chapitre II : Etude expérimentale

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II.1 L’objectif de l’étude :

Le travail consiste à étudier la décarburation de la surface d’un acier 42CD4 lors de la reprise du

traitement thermique au niveau de l’entreprise ETRAG afin de déterminer les causes à l’origine de

ce problème.

II.2 Le matériau utilisé :

Le matériau utilisé est un acier de construction faiblement allié au chrome-molybdène pour

trempe et revenu. Il présente une bonne trempabilité à l’huile, bonne résistance aux surcharges à

l’état traité. C’est un acier à usinabilité améliorée, apte au chromage. Acier tés employé en

mécanique, pour des pièces de moyennes à fortes sections : croisillons, arbres, essieux, crémaillères,

vilebrequins, bielles, pignons.

Son aptitude à la trempe par induction le prédestine à la fabrication des pièces trempées

superficiellement, sa dureté superficielle atteindra au minimum 53 HRC (580 Hv).

II.2.1 Désignations normalisées :

AFNOR : [42CD4].

DIN : 42CrMo4.

Dans l’entreprise ils ont utilisé la norme DIN, la nuance utilisée pour la fabrication de croisillon

différentiel est livrée sous forme d’une barre cylindrique 45 mm de diamètre et de 3,5 m de

longueur à l’état trempé revenu à haute température.

II.2.2 Analyse chimique moyenne :

C% Si % Mn% P% S% Cr% Mo%

% en poids 0.38/0.45 0.40

au max

0.60/0.90 0.035

au max

0.035

au max

0.90/1.20 0.15/0.30

Tableau II.1 Composition chimique moyenne de la nuance.

II.2.3 Caractéristiques de la nuance :

Acier de traitement pour multiples applications avec une grande résistance mécanique et une

haute ténacité, après trempe dans l’huile il sera durci à cœur jusqu’à un diamètre de 60mm. La

micro structure pour des diamètres de barre supérieurs ne sera pas complètement martensitique

souvent utilisé pour les composants automobiles fortement sollicités. [28]

II.2.3.1 Caractéristiques mécaniques moyennes (état trempé et revenu) :

Rm: 750/1300 N/mm2 (230/400 Hv).

Re: 500/900 N/mm2 (150/280 Hv).

A% : 10/14.


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II.3 La gamme de fabrication de la pièce étudiée :

La pièce étudiée est un croisillon différentiel (Figure II.3) de dimension 26x190 mm2 et un poids

de 1.45 Kg obtenu après l’estampage, d’un lopin cylindrique de dimension 45x165 mm2, et un

poids de 2 Kg chauffé sous une température de 1100oC, avec une presse de groupe de marteau 2

tonnes dont les caractéristiques sont indiquées dans le tableau suivant :

Caractéristiques

techniques

Presse (2T) 16203

Force maximale.25o

du point mort

inférieur

200 MPa

Course réglable De 30 à 150 mm

Nombre de

courses/min au

passage

58 N-1

Nombre de courses

max.

admissible/heure

2600 N-1

Réglage du poinçon

(réglage de la

hauteur utile)

100 mm

Distance max.table-

poinçon

550 mm

Col de cygne 425 mm

Surface du poinçon

largeur*profondeur

1050*650 mm

Surface de la table

largeur*profondeur

1400*750 mm

Puissance du

moteur

18 Kw

Nombre de tours

du moteur

1500 N-1

Pression de l’air

comprimé pour

embrayage et frein

4 bars

Force de retrait du

poinçon réglable

De 3.5 à 4Kp

Poids de la machine 18 tonnes

Tableau II.2 les caractéristiques techniques de la presse de groupe de marteau (2Tonnes) utilisée

pour fabriquer le croisillon différentiel.


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Figure II.1 Le croisillon différentiel.

II.4 Montage et fonctionnement de croisillon différentiel :

Lorsqu'un véhicule circule sur un sol plan, possède des roues identiques et également gonflées,

une charge également répartie, on observe que:

- en ligne droite, le centre de gravité G du véhicule ainsi que les roues parcourent la même

distance et ont donc même vitesse

- en virage, les mêmes éléments parcourent un arc de cercle de rayon Rv pour le véhicule, R

pour les roues gauches et r pour les roues droites.

Figure II.2 schéma de mouvement du véhicule en virage.

Les distances L et l parcourues respectivement par les roues extérieures et intérieures sont

différentes. Par conséquent, en virage, les vitesses des roues droite et gauche sont différentes. Pour

une même vitesse du véhicule, on observe une augmentation de la vitesse des roues extérieures au

virage, et une diminution de la vitesse des roues intérieures.

Pour assurer la transmission du couple moteur sur les roues motrices, en respectant cette différence

de vitesse à inculquer à chacune des 2 roues, on utilise un dispositif appelé différentiel.

Il a par la même occasion la fonction de diviser le couple d'entrée en 2 couples également répartis,

un pour chaque roue motrice.


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Le différentiel est d'abord constitué d'un boîtier recevant la couronne de pont. Celle-ci, de forme

conique ou cylindrique, est entraînée par le pignon d'attaque sortant de la boite de vitesses.

L'ensemble pignon-couronne contribue, rappelons-le, le rapport de pont, dernière démultiplication

permettant d'adapter le couple à la roue en fonction du couple de sortie de boîte.

La couronne transmet donc à la cage du différentiel un couple moteur que nous appellerons couple

d'entrée Ce. Pour créer l'effet différentiel, la cage n'entraîne pas directement les arbres de roues.

Ce boîtier comporte, perpendiculairement à son axe de rotation, un axe sur lequel peuvent tourner

deux pignons coniques, positionnés face à face. Ces pignons, baptisés satellites, engrènent

simultanément avec deux autres pignons coniques, appelés eux, planétaires, solidaires chacun des

arbres de roue.

Sur certains différentiels, on trouve 2 satellites disposés sur axes perpendiculaires formant un

croisillon.

Dans son mouvement de rotation, concentrique à celui des arbres de roue, la cage entraîne donc

l'ensemble des satellites, dont les dents, en prise avec celles des planétaires, permettent

l'entraînement des arbres de roues. Il faut bien comprendre que le boîtier entraîne dans sa rotation

les axes des satellites, ceux-ci pouvant tourner librement sur leurs axes. (Figure II.3.1) (Figure

II.3.2). [29]

Figure II.3.1 schéma d’emplacement Figure II.3.2 Vue de différentiel.

Des satellites sur le croisillon.

II.5 La gamme de traitement thermique :

II.5.1 La trempe :

Une charge de 900 pièces enfournée dans un four de trempe à chambre pendant 1 heure et 30

min (la montée de température) pour égaliser la température de cœur avec celle de surface jusqu'à

une température de 880oC (la température d’austénitisation de la nuance 42CD4), a cette

température les pièces sont maintenues durant 3 heures et 30 min ensuite elles ont trempées dans

un bain d’huile. (Figure II.4)

Le croisillon

différentiel


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II.5.2 Le revenu :

La charge donc enfournée dans un four de revenu à une température de 580oC. (Figure II.4)

Le revenu est donc pratiqué après l’opération de trempe (Ce traitement double est appelé

amélioration) qui améliore, par rapport à l'état normalisé (Recuit), les limites de rupture et

d'élasticité, la striction et surtout la résilience. Cela consiste à réchauffer de nouveau le métal

(souvent 550°) après une trempe énergique pour augmenter son usinabilité en lui rendant de la

ductilité.

Comme l’opération de trempe, le réchauffement de l’acier provoque une modification de sa

structure (de la martensite à la sorbite). L’effet le plus remarquable du revenu est la diminution

notable des contraintes internes existant dans la pièce suite à la trempe. On obtient ainsi des

caractéristiques de résistance et de ductilité bien équilibrées.

Figure II.4 Cycle de traitement thermique.

Remarque :

La dureté obtenue après ce régime de traitement doit appartenir à la fourchette des exigences

suivante : 90-110 Kp/mm2 l’équivalent de 268-321 Hv.

II.5.3 La nitruration :

Le croisillon différentiel est une pièce immobile lors le mouvement du tracteur donc elle soumise

uniquement aux efforts d’usure et frottement par les satellites mobiles soutenus sur ses bras.


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Après l’usinage, le croisillon est dirigé vers le bain de sel ou il subit un traitement

thermochimique de nitruration pour améliorer la résistance au frottement et à l’usure des côtes,

dont les paramètres de ce traitement sont : charge de 90 pièces, préchauffage à une température de

300oC, la température du bain est 580

oC, la charge est émergée pendant 10 heures du temps.

II.5.4Les caractéristiques techniques des fours de traitements thermiques :

Tableau II.3 les caractéristiques techniques des fours de traitements thermiques.

II.6 Prélèvement des échantillons :

Le prélèvement des échantillons a été effectué à l’aide d’une tronçonneuse, à partir d’un :

Lopin de la nuance 42CrMo4.

Une pièce forgée.

Une pièce brute trempée.

Une pièce après la reprise de traitement (Décarburée).

Pour des raisons pratiques on a adopté la nomination alphanumérique suivante, on a :

Echantillons du lopin: A1, A2.

Caractéristique

technique

Four de trempe 20711 Four de revenu 20712

Dimension de la zone

de travail :

Hauteur

Largeur

Profondeur

900 mm

1600mm

1900mm

900mm

1600mm

1900mm

Température de la zone

de travail (oC)

Max.1000 Max.750

Température de travail

(oC)

700-1000 250-750

Régulation de la

température

Automatique automatique

Fonctionnement Commande à pleine charge

en circulation pas à pas.

Commande à pleine charge

en circulation pas à pas.

Manœuvre des portes Par électromoteur Par électromoteur

Poids (absolu) 10500kg 10000kg

Poids de charge Max.2000kg Max.2000kg


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Echantillons de la pièce forgée : B1, B2, B3, B4.

Echantillons de la pièce trempée : C1.

Echantillons de la pièce décarburée : D1, D2, D3.

II.7 Techniques de caractérisation :

II.7.1 L’analyse chimique :

L’analyse élémentaire de la composition chimique de la nuance 42CD4 sur les échantillons A2,

D2 a été faite par un spectromètre à arc électrique de type SOLARIS (Figure II.5) au niveau du

laboratoire de l’entreprise ETRAG.

Figure II.5 Spectromètre à arc électrique.

Dans la méthode d’analyse en spectrométrie par émission optique (OES), les atomes d’un

échantillon sont excités par l’énergie fournie par un arc électrique produit entre l’électrode de la

sonde et la pièce. Cela chauffe les atomes à très haute température, et les atomes ainsi excités

émettent de la lumière à une longueur d’onde caractéristique. L’analyse de cette lumière permet

d’obtenir une information qualitative et quantitative. [30]

II.7.2 Etude métallographique :

II.7.2.1 Préparation des surfaces :

Les échantillons ont subi un cycle de polissage réalisé sur une polisseuse de type «HITECH

EUROPE» (Figure II.6) tournant à 150 et 300 tours/min sur lequel est collé un papier abrasif. Le

polissage est réalisé sous lubrification continue (jet d’eau) pour éviter tout échauffement local suit

au frottement, en utilisant des papiers abrasifs de différentes granulométries : 120, 180, 240, 320,

600,800, 1000, 1200, 2000,4000.

Les papiers ont été utilisés successivement dans l’ordre décroissant de la granulométrie en

prenant soin de tourner l’échantillon de 90° afin d’éliminer les rayures laissées par le polissage

précédent. Sur chaque papier, on maintient en contact l’échantillon pendant 2à3 minutes. Pour la


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finition, nous avons utilisé une suspension d’alumine Al2O3 dispersée sur un feutre collé à un

disque tournant.

Figure II.6 Vue d’une Polisseuse.

II.7.1.2 Attaque chimique :

Pour révéler la microstructure des différents échantillons, nous avons procédé à l’attaque de la

surface polie. Dans notre étude, nous avons utilisé le Nital 1 % (une solution alcoolique -nitrique)

de composition :

1 ml d’acide nitrique HNO3.

100 ml d’éthanol pur C2H5OH.

II.7.1.3 Observation microscopique :

L’observation des différentes phases de matériau a été faite par un microscope optique de type

NIKON (Figure II.7) au niveau de laboratoire de l’école ENSMM, équipé d’un appareil photo

numérique, qui permet la prise des images numériques à un ordinateur, ce dernier nous permet

l’enregistrement de ces images. Ainsi l’image de chaque type d’échantillons est enregistrée dans des

fichiers, pour les analyses ultérieures. L’observation de chaque échantillon a été faite à différents

grossissements (X 100, X 200, X 500, X 1000, X1500).

Figure II.7 Vue d’un Microscope optique.


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II.7.2.4 Microscopie électronique à balayage :

1. Morphologie et contraste chimique :

La microscopie électronique à balayage est basée sur le principe d’interaction électrons-matière.

Le fonctionnement en mode électrons secondaires permet d’observer la morphologie en surface,

tandis que l’imagerie en mode électrons rétrodiffusés permet d’obtenir un contraste chimique, les

atomes plus légers (Z faibles) apparaissant plus sombres sur l'image.

L’imagerie des échantillons A1, C1, D1 a été faite à l’aide d’un microscope électronique à balayage

(MEB) de type QUANTA 250 (Figure II.8) au niveau de laboratoire de l’école ENSMM.

2. Profil de concentration :

A partir des conditions thermiques de la décarburation qui sont le temps et la température, il est

maintenant possible de tracer l'évolution de la concentration en carbone en fonction de la

profondeur. Ce profil pourra être confronté aux résultats d'observation optique mais surtout au

profil de dureté dont on verra par la suite qu'il suit directement et logiquement l'évolution de la

teneur en carbone.

A l’aide de microscope électronique à balayage on fait une analyse de compositions chimiques le

long de la couche décarburée.

Figure II.8 Vue d’un Microscope électronique à balayage.

II.7.3 Essai de dureté :

La mesure de la dureté a été réalisée à l’aide d’un duromètre Vickers de type INNOVATEST

(Figure II.9), au niveau du laboratoire de l’école ENSMM.

Les mesures ont été effectuées en dureté Vickers sur tous les échantillons (A1, B1, C1, D1).

L'essai de dureté VICKERS consiste à imprimer sur la surface de la pièce un pénétrateur en forme

de pyramide droite à base carrée d'angle au sommet de 136° sous une charge F (dans nos mesures

nous utilisons une charge F= 5 Kgf) et à mesurer la diagonale d de l'empreinte laissée après

suppression de la charge.


Page 42

Cet essai est le plus précis est permet de tester des pièces fines. La surface doit être rectifiée ou

polie.

La relation de Vickers est donnée par : H= 1.8 F/d2

Avec d= (d1+d2)/2

Où, d exprimée en mm, est la longueur de la diagonale moyenne de l'empreinte, et F est la charge

appliquée.

Figure II.9 Duromètre Vickers.

II.7.4 Essai de microdureté :

L’étude de profil de la microdureté dès la surface jusqu’au cœur pour connaitre la profondeur de

la couche décarburé a été faite sur l’échantillon D3 à l’aide d’un microdurométre de la marque

INNOVATESTE (Figure II.10).

L’essai a été réalisé au niveau du laboratoire de département Science et Génie des Matériaux à

l’ENSMM. La microdureté a été réalisée en allant de la superficie vers le cœur de l’acier avec un

pas de 500 μm, en évitant la superposition de deux empreintes. L’empreinte est mesurée par ces

deux côtes d1, d2 (dureté de type vikers Hv).

Le pénétrateur est une pyramide à base carrée au sommet 136°, en diamant.

La charge 100 gf.


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Figure II.10 Vue d’un microduromètre.

II.8 Trempe pour différentes vitesses de refroidissement :

La trempe a été effectuée dans un four électrique de type CARBOLITE (Figure II.11) au niveau

de laboratoire dans le département SGM de ENSMM sur les échantillons B2, B3, B4.

Figure II.11 Le Four électrique.

Nous avons utilisé le même régime de traitement que celle de l’entreprise mais à différentes

vitesses de refroidissement (différents milieux), le régime est le suivant :

Chauffage des trois échantillons B2, B3, B4 jusqu'à une température de 880oC.

Maintien pendant 30 min.

Refroidissement :

A l’eau (échantillon B2).

A l’huile (échantillon B3).

A l’air (échantillon B4).


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Revenu des trois échantillons trempés.

Chauffage jusqu'à une température de 580oC.

Maintien pendant 30 min.

Refroidissement à l’air.

Après la préparation des surfaces des échantillons, nous avons fait une caractérisation par :

Le microscope Optique pour voire la différence entre les différentes structures apparus.

Mesures de dureté.

II.9 Essai de Jominy :

L’essai Jominy se passe en deux étapes ; la trempe en bout ; puis la mesure de la dureté le long

de l’éprouvette, et a pour but de mettre en évidence la trempabilité d’un acier. Après

l’austénitisation, l’éprouvette est rapidement portée sur le dispositif de trempe ou elle est suspendue

verticalement au-dessus d’une buse débitant de l’eau froide à pression constante. Après le

refroidissement qui doit durer au minimum 10min, l’éprouvette peut être retirée pour la refroidir

complètement dans l’eau. (Figure II.12)

Figure II.12 Schématisation de la trempe en bout.

Un plat doit ensuite être usine le long de la génératrice, il doit être réalise avec précaution pour

éviter tout revenu par échauffement excessif. Pour évaluer l’effet des différentes vitesses de

refroidissement, on mesure la dureté sur le plat, en fonction de la position par rapport à la surface de

trempe (Figure II.13). [6]


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Figure II.13 Emplacements des points de mesure de dureté de l'essai Jominy

Dans notre travail et pour l’essai de Jominy, Nous utilisons un lopin de section ronde de diamètre

40 mm et pour réaliser les éprouvettes (3 éprouvettes E1, E2, E3) selon les normes de l’essai, on a

fait un tournage au niveau de l’entreprise pour réduire le diamètre jusqu 'à 25 mm, ensuite on a fait

un fraisage pour mettre un méplat de longueur 25 mm sur la surface. (Figure II.14)

Figure II.14 Les éprouvettes de l’essai de Jominy.

Concernant l’équipement de l’essai, le four spécial de manipulation n’était pas disponible alors

on a utilisé un four au niveau de laboratoire de l’école (Figure II.11) avec un système de

refroidissement normalisé de l’essai (Figure II.15), on a fait un chauffage jusqu’a la température

850oC et un maintien à cette température durant 30 (+5 ou – 5) minutes (normes de l’essai).


Page 46

Figure II.15 Système de refroidissement de l’essai de Jominy.

Chapitre III

Résultats et

interprétations

Les References Bibliographiques

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[30] : www.cegelec-ndt-pes.com (spectrométrie-émission-optique).

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http://www.guide-aciers.fr/

http://www.cegelec-ndt-pes.com/

Synthèses

Synthèse (I.4.1.2.1) :

Dans notre étude nous intéressons à la nuance 42CD4 qui contient 0.42% de C, 1% de Cr et

0.3% de Mo chaque teneur de ces éléments a un impact sur les propriétés de cet acier tel que :

La teneur de 0.42% de C est adoptée pour les pièces forgées ou moulées et améliore la trempabilité

Des teneurs de chrome entre 0.5% à 1.5% donnent une bonne trempabilité parce qu’ils retardent la

transformation de l’austénite (trempant a l’air) et ils améliorent la résistance à la rupture sans

diminuer la ductilité de façon appréciable, aussi ils diminuent la décarburation et ils contribuent

beaucoup à la formation des nitrures, donc ces aciers sont destinés à la nitruration.

Des teneurs de molybdène jusqu'à 0.50% sont plus efficaces que des additions correspondantes

de chrome pour produire une structure aciculaire dans des aciers refroidis à l'air. Ils améliorent la

pénétration de trempe et augmentent les propriétés de résistance aux chocs et possèdent une limite

élastique élevée des aciers trempés.

Le molybdène agit d'une façon semblable à celle du chrome, pour augmenter la résistance, l'aptitude

à la trempe et la résistance à l'usure, tout en gardant une bonne ténacité.

Synthèse (I.5.3.1) :

Après le traitement thermique les pièces dirigées vers le contrôle qualité pour vérifier la qualité

de traitement qui affecte directement l’usinabilité de ces dernières, dans l’entreprise ils ont

rencontré habituellement les mêmes problèmes suivants :

Une chute ou élévation de dureté.

Grossissement des grains.

Généralement le plus rencontré c’est le problème de dureté à cause de plusieurs facteurs

que sont :

Un prolongement de temps de maintien causé par des problèmes technique.

Un mauvais refroidissement.

Ces incidents nécessitent la refaire de traitement pour corriger ces problèmes, ou cette reprise

répétée plusieurs fois conduit à une décarburation au niveau de la surface de l’acier qui peut risquer

de perdre toute la charge (900 pièces).

Remède :

Pour éviter la décarburation de la surface des pièces, il est nécessaire de contrôler l’atmosphère

(four à atmosphère contrôlée) et fournir une atmosphère réductrice (riche en Hydrogène (H) ou

Azote (N) pour éviter l’oxydation de carbone dans une atmosphère oxydante (l’ambiance).

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