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RÉSUMÉ
Les traitements mécaniques ou thermiques superficiels, les traitements thermochimiques, les revêtements minces obtenus par voie sèche ou par voie liquide et les revêtements épais obtenus par rechargement ou compaction isostatique à chaud constituent les différentes catégories de traitements superficiels des aciers à outils. Ils contribuent à améliorer les propriétés de résistance au frottement et à l’usure, de tenue à la fatigue mécanique ou thermique, de résistance à l’oxydation ou à la corrosion. Cet article décrit les fonctionnalités apportées par chaque catégorie de traitement précédemment décrite.
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Robert LÉVÊQUE : Ingénieur civil des Mines - Président d’honneur du Cercle d’études des métaux à l’École nationale supérieure - des Mines de Saint-Étienne, Saint-Étienne, France
INTRODUCTION
Les traitements superficiels dans le domaine des aciers à outils ont pour but essentiel de réaliser une structure à gradient de propriétés mécaniques permettant d’améliorer, d’une part, la résistance au frottement et à l’usure sans dégrader la tenue à l’oxydation et à la corrosion, d’autre part, la résistance à la fatigue mécanique, thermique et de surface sans dégrader la tenue à la propagation des fissures et à l’écaillage. Les procédés couramment employés pour réaliser ces gradients de propriétés utilisent la voie mécanique (nanostructuration superficielle par attrition mécanique), thermique (traitement de trempe superficielle) ou thermochimique. Les caractéristiques tribologiques de la surface pourront être données en plus par des revêtements minces de quelques micromètres d’épaisseur apportant par ailleurs une protection contre l’oxydation, la corrosion ou l’échauffement en service. Ces revêtements sont réalisés par les techniques classiques de dépôt par voie liquide (notamment par galvanoplastie), ainsi que par les techniques de dépôt par voie sèche utilisant la voie chimique (CVD) et la voie physique (PVD). La combinaison du gradient de propriétés obtenu par traitement thermique ou thermochimique de surface et du revêtement dur obtenu par l’une des techniques citées permet d’optimiser les propriétés de surface de l’acier à outils en vue de ses conditions d’utilisation. Pour certaines applications, notamment dans le domaine de l’outillage de mise en forme à chaud ou à froid et certaines pièces d’usure, il est possible d’utiliser le rechargement ou la compaction isostatique à chaud, pour obtenir des revêtements épais, pouvant même atteindre plusieurs millimètres d’épaisseur dans ce dernier cas. La dernière famille de procédés permet de renforcer substantiellement la résistance à la fatigue thermique et à la déformation grâce à l’emploi d’alliages base nickel ou cobalt à hautes caractéristiques mécaniques à chaud.
La première partie du présent article est relative aux traitements de transformation structurale par voie mécanique ou thermique, ainsi qu’aux traitements thermochimiques. La deuxième partie est relative aux revêtements minces obtenus par la voie liquide ou par la voie sèche, et la dernière partie, aux revêtements épais obtenus par rechargement ou compaction isostatique à chaud.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des notations utilisées.
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MOTS-CLÉS
VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1981 par Robert LÉVÉQUE
- Version archivée 2 de oct. 1993 par Robert LÉVÊQUE
- Version archivée 3 de sept. 2013 par Robert LÉVÊQUE
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Traitement de trempe superficielle par induction
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1. Traitement de transformation structurale superficielle par voie mécanique
Le traitement mécanique superficiel par attrition présente un très grand intérêt dans le domaine des aciers à outils. Ce traitement consiste à déformer plastiquement à très grande vitesse et sous impact répété une surface métallique par mise en vibration ultrasonore de billes métalliques de quelques millimètres de diamètre. La surface à traiter est mise dans une enceinte sous vide dans laquelle les billes sont agitées par phénomène vibratoire, produisant ainsi des impacts énergétiques (1 à 20 m.s−1) dans des directions aléatoires. Les différences les plus notables de ce type de traitement par rapport au grenaillage de précontrainte conventionnel sont la projection aléatoire des billes sur la surface et la taille des sphères métalliques (2 à 5 mm). Le tableau 1 est un comparatif de ce procédé de déformation plastique sévère et du grenaillage de précontrainte. La principale caractéristique du traitement par attrition mécanique est une diminution spectaculaire de la taille des grains dans la zone impactée, passant de quelques dizaines de micromètres à quelques dizaines de nanomètres, ce qui entraîne une augmentation sensible de la résistance mécanique de cette zone. La nanostructuration peut s'effectuer sur des épaisseurs comprises entre 80 et 150 µm, par multiplication de sous-structures cellulaires avec des gains de dureté compris entre 35 et 50 %, ainsi que le montre la figure 1 relative aux aciers X37CrMoV5-1 et 32CrMoV13.
Il est possible par cette technique d’améliorer considérablement les propriétés mécaniques de la surface telles que la résistance à l’usure, la résistance à l’impact et l’écaillage, la tenue à la fatigue, voire même la tenue à la corrosion. Par ailleurs, la génération d’une couche nanostructurée augmente sensiblement la diffusivité des métalloïdes comme l’azote en particulier, ce qui améliore sensiblement l’aptitude de cette couche à des traitements thermochimiques comme la nitruration, avec une limitation de la précipitation en réseau dans la zone de diffusion d’azote (§ ...
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Traitement de transformation structurale superficielle par voie mécanique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MULLER (T.), PRÉZEAU (T.), SAMUEL (J.) - Le nanopeening : une solution industrielle de nanostructuration de surface pour augmenter la durée de vie des outillages – Colloque Moules et Outils 2011. - École des Mines d’Albi, bulletin du CEM, Tome XVIII, n° 8 (2011).
-
(2) - MARSCHALL (C.W.) - Hardening tool steels by induction. - Metal Progress (USA), p. 88 (1973).
-
(3) - GUERIN (S.) - Le laser structure en 3D la surface des moules – Colloque Moules et Outils 2011. - École des Mines d’Albi, bulletin du CEM, Tome XVIII, n° 8 (2011).
-
(4) - SODER (H.) - Le micro-usinage laser à impulsions ultra-brèves – femto-seconde. Journée technique organisée par le CEM, l’ARDI Rhône-Alpes et le Club Laser et Procédés. - École des Mines de Saint-Étienne, bulletin du CEM, Tome XVIII, n° 10 (2012).
-
(5) - CHABROL (C.), NOWAK (J.F.), LÉVÊQUE (R.) - Possibilités offertes par les lasers...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Systèmes de désignation des aciers – Partie 1 : désignation symbolique. - NF EN 10027-1 - 2-2017
-
Systèmes de désignation des aciers – Partie 2 : systèmes numériques. - NF EN 10027-2 - 6-2015
-
Aciers à outils. - NF EN ISO 4957 - 6-2018
-
Aciers pour nitruration – Conditions techniques de livraison. - NF EN 10085 - 3-2002
ANNEXES
-
1 Annexes
- 1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
- 1.2 Données économiques 1.2.1 Producteurs d’aciers à outils (liste non exhaustive)
1.2.2 Sous-traitants en traitements de surface (liste non exhaustive)
1.2.3 Laroratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Centre technique des industries mécaniques (CETIM), BP 67, 60304 Senlis Cedex
Association de Traitement Thermique et de Traitement de Surface (A3TS), 71 rue Lafayette, 75009 Paris
HAUT DE PAGE1.2.1 Producteurs d’aciers à outils (liste non exhaustive)
Ascometal, Avenue de France, 57300 Hagondange
Bohler Uddeholm France, 12 rue Mercier, ZI de Mitry-Compans, 77290 Mitry-Mory
Edelstahlwerke Witten – Krefeld Härterei Technik GmbH, Auestrasse 4, D –...
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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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