Le traitement thermique des métaux
Le traitement thermique est une étape cruciale dans la fabrication de l'acier. Il est essentiel pour ajuster ses propriétés mécaniques, telles que la dureté, la résistance, et la ductilité, en fonction des besoins spécifiques de son utilisation.
Ce processus implique le chauffage de l'acier à des températures élevées suivi d'un refroidissement contrôlé. Cette manipulation modifie la structure microscopique de l'acier, lui conférant des caractéristiques améliorées telles qu'une meilleure résistance aux chocs, une dureté accrue, et une flexibilité optimisée pour diverses applications industrielles.
Son but est d'améliorer les propriétés structurelles et physiques du métal pour une utilisation particulière ou pour un travail futur. Il existe cinq procédés de base de traitement thermique :
- la trempe
- la cémentation
- le recuit
- la normalisation
- le revenu
Bien que chacun de ces procédés donne des résultats différents pour le métal, ils comportent tous trois étapes de base :
- le chauffage
- le trempage
- le refroidissement
Les étapes fondamentales d'un traitement thermique
Le Chauffage - 1re étape du traitement thermique
Le chauffage est la première étape d'un processus de traitement thermique.
De nombreux alliages changent de structure lorsqu'ils sont chauffés à des températures spécifiques. La structure d'un alliage à température ambiante peut être soit un mélange mécanique, soit une solution solide, soit une combinaison.
- Un mélange mécanique peut être comparé au béton. Tout comme le sable et le gravier sont visibles et maintenus en place par le ciment. Les éléments et les composés d'un mélange mécanique sont clairement visibles et sont maintenus ensemble par une matrice de métal de base.
- On parle de solution solide lorsque deux ou plusieurs métaux sont absorbés, l'un dans l'autre, et forment une solution. Lorsqu'un alliage est sous forme de solution solide, les éléments et les composés formant le métal sont absorbés les uns dans les autres de la même manière que le sel est dissous dans un verre d'eau. Les éléments séparés formant le métal ne peuvent pas être identifiés, même au microscope.
Un métal sous forme de mélange mécanique à température ambiante se transforme souvent en une solution solide ou partielle lorsqu'il est chauffé.
Une telle modification de la composition chimique entraîne certaines modifications prévisibles de la taille et de la structure des grains.
Cela conduit à la deuxième étape du processus de traitement thermique : le trempage.
Le trempage - 2eme étape du traitement thermique
Une fois qu'une pièce métallique a été chauffée à la température à laquelle les changements souhaités dans sa structure se produiront, elle doit rester à cette température jusqu'à ce que la pièce entière ait été chauffée de manière uniforme sur toute sa longueur.
C'est ce que l'on appelle le trempage.
Plus la pièce a de masse, plus elle doit être trempée longtemps.
Le refroidissement - 3ème étape du traitement thermique
Une fois que la pièce a été correctement trempée, la troisième étape consiste à la refroidir. Là encore, la structure peut changer d'une composition chimique à l'autre, elle peut rester la même, ou elle peut revenir à sa forme initiale. Par exemple :
- un métal qui est une solution solide après avoir été chauffé peut rester le même pendant le refroidissement
- se transformer en un mélange mécanique
- se transformer en une combinaison des deux, selon le type de métal et la vitesse de refroidissement.
Tous ces changements sont prévisibles. C'est pourquoi de nombreux métaux peuvent être rendus conformes à des structures spécifiques afin d'augmenter leur dureté, leur ténacité, leur ductilité, leur résistance à la traction, etc.
LE TRAITEMENT THERMIQUE DES MÉTAUX FERREUX TELS QUE L'ACIER
Toutes les opérations de traitement thermique impliquent le chauffage et le refroidissement des métaux. Les formes courantes de traitement thermique des métaux ferreux sont la trempe, le revenu, le recuit, la normalisation et la cémentation.
La trempe
Un métal ferreux est normalement durci
- en chauffant le métal à la température requise
- puis en le refroidissant rapidement en plongeant le métal chaud dans un milieu de trempe, tel que l'huile, l'eau ou la saumure.
La plupart des aciers doivent être refroidis rapidement pour les durcir. Le processus de durcissement augmente la dureté et la résistance du métal, mais aussi sa fragilité.
Le revenu
L'acier est généralement plus dur que nécessaire et trop cassant pour un usage pratique après avoir été trempé. De fortes contraintes internes se créent lors du refroidissement rapide du métal. Après avoir été trempé, l'acier est revenu pour soulager les tensions internes et réduire sa fragilité.
Le revenu consiste à chauffer le métal à une température donnée, puis à le laisser refroidir.
La vitesse de refroidissement n'a généralement aucun effet sur la structure du métal pendant la trempe. Par conséquent, le métal est généralement refroidi à l'air ambiant. Les températures utilisées pour le revenu sont normalement beaucoup plus basses que les températures de durcissement. Plus la température de trempe est élevée, plus le métal devient mou.
Le recuit
Les métaux sont recuits pour soulager les tensions internes, les ramollir, les rendre plus ductiles et affiner la structure de leurs grains. Le métal est recuit :
- en le chauffant à une température prescrite
- en le maintenant à cette température pendant le temps nécessaire
- puis en le refroidissant jusqu'à la température ambiante
La vitesse à laquelle le métal est refroidi à partir de la température de recuit varie considérablement. L'acier doit être refroidi très lentement pour obtenir une douceur maximale. Cela peut se faire en enterrant la partie chaude dans du sable, des cendres ou une autre substance qui ne conduit pas facilement la chaleur (garnissage), ou en fermant le four et en laissant le four et la pièce refroidir ensemble (refroidissement du four).
La normalisation
Les métaux ferreux sont normalisés afin de réduire les contraintes internes produites par l'usinage, le forgeage ou la soudure. Les aciers normalisés sont plus durs et plus résistants que les aciers recuits. L'acier est beaucoup plus dur à l'état normalisé qu'à tout autre état. Les pièces qui seront soumises à des chocs et les pièces qui nécessitent une ténacité et une résistance maximales aux contraintes externes sont généralement normalisées. La normalisation avant le durcissement est bénéfique pour obtenir la dureté souhaitée, à condition que l'opération de durcissement soit effectuée correctement.
Les aciers à faible teneur en carbone n'ont généralement pas besoin d'être normalisés, mais la normalisation de ces aciers n'entraîne aucun effet néfaste. La normalisation est obtenue
- en chauffant le métal à une température donnée (qui est plus élevée que les températures de trempe ou de recuit)
- en trempant le métal jusqu'à ce qu'il soit uniformément chauffé
- et en le refroidissant à l'air
La cémentation
La cémentation est un traitement thermique idéal pour les pièces qui nécessitent une surface résistante à l'usure et un noyau dur, telles que les engrenages, les cames, les chemises de cylindre, etc. Les procédés de cémentation les plus courants sont :
- la cémentation
- la nitruration
Au cours du processus de cémentation, un acier à faible teneur en carbone (soit un acier au carbone droit, soit un acier allié à faible teneur en carbone) est chauffé à une température spécifique en présence d'un matériau (solide, liquide ou gazeux) qui se décompose et dépose davantage de carbone à la surface de l'acier.
Ensuite, lorsque la pièce est refroidie rapidement, la surface extérieure ou le boîtier devient dur, laissant l'intérieur de la pièce souple mais très dur.
TRAITEMENT THERMIQUE DES MÉTAUX NON FERREUX
Deux types d'opérations de traitement thermique peuvent être effectués sur les métaux non ferreux. Il s'agit :
- du recuit
- du traitement thermique par mise en solution
Le recuit
La plupart des métaux non ferreux peuvent être recuits. Le processus de recuit consiste à :
- chauffer le métal à une température spécifique
- à le tremper
- à le refroidir à température ambiante
La température et la méthode de refroidissement dépendent du type de métal. Le recuit est souvent effectué après diverses opérations de travail à froid car de nombreux métaux non ferreux deviennent durs et cassants après le travail à froid.
Le recuit est également utilisé pour éliminer les effets du traitement thermique de mise en solution afin d'améliorer les qualités d'usinage ou de travail.
Traitement thermique de mise en solution
La résistance à la traction de nombreux alliages non ferreux peut être augmentée en faisant passer les matériaux contenus dans l'alliage dans une solution solide, puis en contrôlant le taux et l'étendue du retour à un mélange mécanique modifié. Cette opération est appelée traitement thermique de mise en solution. Après qu'un alliage a été chauffé à une température spécifiée, il est "trempé" ou refroidi rapidement, ce qui piège les matériaux dans la solution solide atteinte pendant le processus de chauffage. À partir de ce point, le processus varie fortement en fonction du métal. Pour s'assurer que les matériaux de l'alliage ne retrouvent pas leur configuration initiale après un certain temps, un processus de maturation ou de durcissement par précipitation doit suivre. Au cours de ce processus, les matériaux de l'alliage peuvent changer ou précipiter hors de la solution solide.
Ce processus se déroule dans des conditions contrôlées, de sorte que la structure granulaire résultante produira une résistance à la traction du métal plus élevée que dans son état initial. Selon l'alliage, ce processus de précipitation peut aussi consister simplement à faire maturer l'alliage à température ambiante pendant une durée déterminée, puis à le refroidir à l'air ; c'est ce qu'on appelle le vieillissement artificiel.
Le dernier mot...
Le traitement thermique est un processus indispensable pour adapter l'acier aux exigences spécifiques des industries.
En passant par des phases de chauffage, de trempage, et de refroidissement, on modifie la structure interne de l'acier, améliorant sa dureté, sa résistance, et sa ductilité.
Les techniques comme la trempe, la cémentation, le recuit, la normalisation, et le revenu permettent de créer un métal adapté à des usages spécifiques, augmentant ainsi sa valeur et son efficacité dans divers domaines.
Ce processus méticuleux est la clé pour obtenir un acier de qualité supérieure, prêt à faire face aux défis de l'industrie moderne.
