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RÉSUMÉ
Les traitements superficiels ont pour objectif d’augmenter les performances mécaniques des pièces traitées, notamment vis-à-vis de l’usure et de la tenue en fatigue. Le niveau de dureté et le taux de contraintes résiduelles en compression sont les deux paramètres qui en traduisent les effets. Les traitements thermochimiques concernent toutes les familles de procédés qui mettent en œuvre des réactions chimiques en relation avec la température et qui conduisent à une transformation chimique par diffusion de la zone superficielle. Les traitements thermochimiques de diffusion ou cémentation, principalement par le carbone et l’azote sont, avec le durcissement par trempe superficielle, les plus utilisés pour le renforcement des pièces mécaniques en alliages fer-carbone (aciers et fontes).
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Claude LEROUX : Ingénieur du Conservatoire National des Arts et Métiers (CNAM) - Consultant – Ancien directeur de la Sté Bodycote - Président d’honneur de l’A3TS (Association de traitement thermique et traitement de surface)
INTRODUCTION
Les traitements superficiels concernent une vaste famille de procédés dont l’objectif est d’augmenter les performances mécaniques des pièces traitées.
Les traitements thermochimiques de diffusion ou cémentation, principalement par le carbone et l’azote (carburation appelée couramment « cémentation », « carbonitruration », « nitruration », « nitrocarburation »), sont, avec le durcissement par trempe superficielle, les plus utilisés pour le renforcement des pièces mécaniques en alliages fer-carbone (aciers et fontes).
Les traitements thermochimiques concernent cependant toutes les familles de procédés qui conduisent à une transformation chimique par diffusion de la zone superficielle des pièces traitées, la masse est modifiée, mais les dimensions sont inchangées.
Ils se distinguent des procédés :
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CVD (dépôt chimique en phase vapeur) ;
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PVD (dépôt physique en phase vapeur) ;
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PACVD (dépôt chimique en phase vapeur assistée plasma CVD).
Ceux-ci sont du type dépôt par condensation d’un composé défini, sans modification de la nature chimique de la surface du substrat (à l’exception de la zone nanométrique d’adhérence).
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Justification des traitements thermochimiques
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3. Obtention des contraintes résiduelles – Importance
Les traitements mécaniques tels que le grenaillage de précontrainte (ou shot-peening), le galetage, le roulage (venant parfois en complément des traitements thermiques) sont, à l’évidence, des opérations devant générer des contraintes de compression de la surface.
Les traitements thermiques de durcissement par trempe (sur acier de base préalablement cémenté ou carbonitruré), de nitruration et de durcissement par trempe après chauffage superficiel conduisent, en général, à une mise en contraintes de compression de la surface de l’acier ou de la fonte (figure 6 cas d'une cémentation + trempe directe).
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Dans le cas des traitements thermochimiques suivis d’un durcissement par trempe (cémentation, carbonitruration), c’est la présence d’un gradient de carbone décroissant de la surface vers le cœur conduisant à la formation de martensite dont le taux de sursaturation en carbone et, par conséquent, la dureté et le taux de contrainte sont également décroissants, de la surface vers le cœur, si le traitement thermique est bien conduit.
Sur les aciers cémentés, le niveau de dureté le plus élevé et le taux de contrainte de compression maximum sont obtenus pour des teneurs en carbone proches de la composition eutectoïde en l’absence d’austénite résiduelle. Les écarts de carbone entre la surface et le cœur font que les points Ms sont tels que la transformation martensitique du cœur soit majoritairement obtenue avant le départ de la transformation martensitique de la surface.
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Dans le cas des traitements de durcissement par trempe après chauffage superficiel, seule la couche austénitisée développera, après trempe, des contraintes dont le niveau est en relation avec la teneur en carbone de l’austénite, généralement plus faible que celle rencontrée sur les aciers cémentés.
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Dans le cas des traitements thermochimiques conduisant à un mode de durcissement par précipitation (nitruration), les contraintes sont développées simultanément sans dépendre du cycle thermique de refroidissement. Elles sont directement en relation avec le type de précipités (taille, composition) et le niveau de dureté obtenu.
On peut donc s’attendre à des niveaux de contraintes résiduelles en compression plus élevés avec les niveaux de dureté les...
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Obtention des contraintes résiduelles – Importance
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEROUX (C.) - Cémentation par le carbone et carbonitruration – Procédés - [M 1 225] (2011).
-
(2) - LEROUX (C.) - Cémentation par le carbone et carbonitruration – Mise en œuvre des traitements - [M 1 226] (2011).
-
(3) - GANTOIS (M.), DULCY (J.) - Théories des traitements thermochimiques – Nitruration – Nitrocarburation – Systèmes binaires et ternaires fer – azote et fer – azote – carbone – Couche de combinaison - [M 1 224] (2010).
-
(4) - GANTOIS (M.), DULCY (J.) - Théorie des traitements thermochimiques – Cémentation – Carburation - [M 1 222] (2007).
-
(5) - THOMAS (B.), SCHMITT (J.H.) - Durcissement des aciers – Mécanismes - [M 4 340] (2002).
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(6) - THOMAS (B.), SCHMITT (J.H.) - Durcissement...
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