Qu’est-ce que le traitement thermique ?
Le traitement thermique fait référence à un processus de traitement thermique des métaux dans lequel le matériau est chauffé, isolé et refroidi à l’état solide pour obtenir l’organisation et les propriétés attendues. Le processus de traitement thermique des métaux peut être grossièrement divisé en trois catégories de traitement thermique intégral, de traitement thermique de surface et de traitement thermique chimique. Le même métal utilisant différents processus de traitement thermique peut obtenir différentes structures et donc avoir des propriétés différentes.
Caractéristiques du processus
Le traitement thermique des métaux est l’un des processus importants de la fabrication mécanique, par rapport à d’autres processus de traitement, le traitement thermique ne modifie généralement pas la forme de la pièce et la composition chimique globale, mais modifie la composition chimique de la surface de la pièce, améliore les performances de la pièce. Il se caractérise par l’amélioration de la qualité intrinsèque de la pièce, qui n’est généralement pas visible à l’œil nu.
Afin de faire en sorte que la pièce métallique ait les propriétés mécaniques, physiques et chimiques requises, en plus de la sélection raisonnable de matériaux et de divers processus de formage, le processus de traitement thermique est souvent essentiel. L’acier est le matériau le plus largement utilisé dans l’industrie des machines, la microstructure de l’acier est complexe, peut être contrôlée par traitement thermique, de sorte que le traitement thermique de l’acier est le contenu principal du traitement thermique du métal.
De plus, l’aluminium, le cuivre, le magnésium, le titane et leurs alliages peuvent également modifier leurs propriétés mécaniques, physiques et chimiques par traitement thermique pour obtenir des performances différentes.
Étapes du processus
- Normalisation : La normalisation est la pièce chauffée à la température appropriée après refroidissement à l’air, l’effet de normalisation est similaire au recuit, mais l’organisation obtenue est plus fine, souvent utilisée pour améliorer les performances de coupe du matériau, et parfois utilisée pour certaines pièces à faibles exigences comme traitement thermique final.
- Trempe : la trempe consiste à chauffer et à maintenir la pièce, dans de l’eau, de l’huile ou d’autres sels inorganiques, une solution d’eau organique et un autre refroidissement rapide du milieu de trempe. Après la trempe, l’acier devient dur, mais en même temps devient cassant, afin d’éliminer la fragilité dans le temps, il est généralement nécessaire de tempérer dans le temps.
- Trempe : Afin de réduire la fragilité de l’acier, l’acier trempable est maintenu au chaud pendant une longue période à une température appropriée au-dessus de la température ambiante et en dessous de 650 ° C, puis refroidi, ce processus est appelé trempe.
- Revenu : fait référence au processus de traitement thermique composite de trempe et de revenu de l’acier ou des pièces en acier. Les aciers utilisés pour la trempe sont appelés aciers de trempe. Il fait généralement référence à l’acier de construction à teneur moyenne en carbone et à l’acier de construction allié à teneur moyenne en carbone.
- Traitement thermique chimique : fait référence à la pièce en métal ou en alliage placée à une certaine température de conservation de la chaleur du milieu actif, de sorte qu’un ou plusieurs éléments à sa surface modifient sa composition chimique, son organisation et les performances du processus de traitement thermique.
- Les procédés courants de traitement thermique chimique sont : la cémentation, la nitruration, la carbonitruration, l’aluminisation, la boronisation, etc. Le but du traitement thermique chimique est d’améliorer la dureté, la résistance à l’usure, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue et la résistance à l’oxydation de la surface de l’acier.
- Traitement en solution solide : fait référence au processus de traitement thermique consistant à chauffer l’alliage dans une zone monophasée à haute température pour maintenir une température constante, de sorte que la phase excédentaire soit entièrement dissoute dans la solution solide, puis refroidie rapidement pour obtenir la solution solide sursaturée. Le but du traitement en solution est principalement d’améliorer la plasticité et la ténacité de l’acier et de l’alliage, et de préparer le traitement de durcissement par précipitation.
- Durcissement par précipitation (renforcement par précipitation) : fait référence au métal dans la zone de ségrégation atomique du soluté en solution solide sursaturée et (ou) par la dissolution des particules dispersées dans la matrice et conduit au durcissement d’un processus de traitement thermique. Tels que l’acier inoxydable à précipitation austénitique après traitement de solution ou après traitement à froid, à 400 ~ 500 °C ou 700 ~ 800 °C pour le traitement de durcissement par précipitation, peuvent obtenir une résistance élevée.
- Traitement de vieillissement : fait référence à la pièce en alliage après traitement de solution, déformation plastique à froid ou coulée, forgeage, placée à une température plus élevée ou maintien à température ambiante, ses performances, sa forme, son changement de taille avec le processus de traitement thermique.
- Si la pièce est chauffée à une température plus élevée et que le processus de vieillissement est utilisé pendant une période plus longue, on parle de traitement de vieillissement artificiel. Si la pièce est placée à température ambiante ou dans des conditions naturelles pendant une longue période, le phénomène de vieillissement est appelé traitement de vieillissement naturel. Le but du traitement de vieillissement est d’éliminer les contraintes internes de la pièce, de stabiliser la structure et la taille et d’améliorer les propriétés mécaniques.
- Diamètre critique (diamètre critique de pénétration) : Le diamètre critique fait référence au diamètre maximal de l’acier après trempe dans un certain milieu, lorsque le cœur devient entièrement martensitique ou à 50 % de structure martensitique, et le diamètre critique de certains aciers peut généralement être obtenu par l’essai de trempabilité dans l’huile ou l’eau.
- Durcissement secondaire : Certains alliages fer-carbone (comme l’acier rapide) doivent être trempés plusieurs fois avant d’améliorer encore leur dureté. Ce phénomène de durcissement, appelé durcissement secondaire, est dû à la précipitation de carbures spéciaux et/ou à la participation à la transformation de l’austénite en martensite ou en bainite.
- Fragilisation de la trempe : fait référence au phénomène de fragilisation de l’acier trempé trempé dans certains intervalles de température ou refroidi lentement à partir de la température de trempe à travers l’intervalle de température. La fragilité de la trempe peut être divisée en deux catégories : le premier type de fragilité de la trempe et le deuxième type de fragilité de la trempe. Le premier type de fragilité de la trempe est également connu sous le nom de fragilité de la trempe irréversible, se produit principalement lorsque la température de trempe est de 250 ~ 400 °C, après la disparition de la fragilité du réchauffage, la trempe répétée dans cet intervalle ne se produit plus de fragilité, le deuxième type de fragilité de la trempe est également connu sous le nom de fragilité de la trempe réversible, la température est de 400 ~ 650 °C, lorsque la fragilité disparaît après le réchauffage, elle doit être refroidie rapidement, et elle ne peut pas rester dans la plage de 400 ~ 650 °C pendant une longue période ou un refroidissement lent, sinon le phénomène catalytique se reproduira. L’apparition de la fragilité de la trempe est liée aux éléments d’alliage contenus dans l’acier, tels que le manganèse, le chrome, le silicium, le nickel produiront une tendance à la fragilité de la trempe, et le molybdène, le tungstène affaibliront la tendance à la fragilité de la trempe.
Processus technologique
Le processus de traitement thermique comprend généralement le chauffage, l’isolation, le refroidissement trois processus, parfois seulement le chauffage et le refroidissement de deux processus. Ces processus sont interconnectés et ininterrompus.
Le chauffage est l’une des tâches importantes du traitement thermique. Il existe de nombreuses méthodes de chauffage pour le traitement thermique des métaux, la plus ancienne étant l’utilisation de charbon de bois et de charbon comme sources de chaleur, et l’application récente de combustibles liquides et gazeux. L’application de l’électricité rend le chauffage facile à contrôler et aucune pollution de l’environnement. Ces sources de chaleur peuvent être utilisées pour le chauffage direct ou le chauffage indirect à travers des sels ou des métaux fondus, et même des particules flottantes. Lorsque le métal est chauffé, la pièce est exposée à l’air, et l’oxydation et la décarbonisation se produisent souvent (c’est-à-dire que la teneur en carbone de surface des pièces en acier est réduite), ce qui a un effet très négatif sur les propriétés de surface des pièces après le traitement thermique. Par conséquent, le métal doit généralement être chauffé dans une atmosphère contrôlée ou une atmosphère protectrice, du sel fondu et du vide, et peut également être protégé par des méthodes de revêtement ou d’emballage. La température de chauffage est l’un des paramètres importants du processus de traitement thermique, et la sélection et le contrôle de la température de chauffage sont le principal problème pour assurer la qualité du traitement thermique. La température de chauffage varie en fonction du matériau métallique traité et de l’objectif du traitement thermique, mais il est généralement chauffé au-dessus de la température de changement de phase pour obtenir un tissu à haute température. De plus, la transformation prend un certain temps, donc lorsque la surface de la pièce métallique atteint la température de chauffage requise, elle doit également être maintenue à cette température pendant un certain temps, afin que la température interne et externe soit constante, de sorte que la microstructure soit complètement transformée, cette période de temps s’appelle le temps de maintien. Lorsque le chauffage à haute densité d’énergie et le traitement thermique de surface sont utilisés, la vitesse de chauffage est extrêmement rapide, et il n’y a généralement pas de temps de maintien, et le temps de maintien du traitement thermique chimique est souvent plus long.
Le refroidissement est également une étape indispensable dans le processus de traitement thermique, et la méthode de refroidissement varie en fonction du processus, principalement pour contrôler la vitesse de refroidissement. Généralement, la vitesse de refroidissement du recuit est la plus lente, la vitesse de refroidissement de la normalisation est plus rapide et la vitesse de refroidissement du feu est plus rapide. Cependant, il existe des exigences différentes en raison des différents types d’acier, par exemple, l’acier dur à l’air peut être trempé avec la même vitesse de refroidissement que la normalisation
Classification des processus
Le processus de traitement thermique des métaux peut être grossièrement divisé en trois catégories de traitement thermique intégral, de traitement thermique de surface et de traitement thermique chimique. Selon la température de chauffage du fluide chauffant et les différentes méthodes de refroidissement, chaque catégorie peut être divisée en plusieurs processus de traitement thermique différents. Le même métal utilisant différents processus de traitement thermique, peut obtenir différentes structures et donc avoir des propriétés différentes. L’acier est le métal le plus largement utilisé dans l’industrie, et la microstructure de l’acier est également la plus complexe, il existe donc de nombreux types de processus de traitement thermique de l’acier, le traitement thermique global est le chauffage global de la pièce, puis le refroidissement à la vitesse appropriée, pour obtenir la structure métallographique requise, pour modifier ses propriétés mécaniques globales du processus de traitement thermique des métaux. Le traitement thermique global de l’acier comporte quatre processus de base : recuit, normalisation, feu et revenu.
Types de recuit
Le recuit est un processus de traitement thermique dans lequel la pièce est chauffée à une température appropriée, maintenue pendant un certain temps, puis refroidie lentement
Il existe de nombreux types de procédés de recuit pour l’acier, qui peuvent être divisés en deux catégories en fonction de la température de chauffage : l’un est le recuit au-dessus de la température critique (Ac1 ou Ac3), également connu sous le nom de recuit de recristallisation à changement de phase, y compris le recuit complet, le recuit incomplet, le recuit sphéroïdisant et le recuit de diffusion (recuit d’homogénéisation) ; L’autre est le recuit en dessous de la température critique, y compris le recuit de recristallisation et le recuit de détente. Selon la méthode de refroidissement, le recuit peut être divisé en recuit isotherme et recuit de refroidissement continu.
•Recuit complet et recuit isotherme
Recuit complet et pesage Le recuit de cristallisation, généralement appelé recuit, c’est l’acier ou l’acier chauffé à Ac3 au-dessus de 20 ~ 30 ° C pendant une période suffisamment longue, de sorte que l’organisation est complètement austénitisée après refroidissement lent, afin d’obtenir un processus de traitement thermique proche de l’équilibre de l’organisation. Ce recuit est principalement utilisé pour la coulée de divers aciers au carbone et aciers alliés à composition hypoeutectoïde, forgés et profilés laminés à chaud, et parfois pour les structures d’assemblage. Il est généralement utilisé comme traitement thermique final de certaines pièces non lourdes, ou comme traitement préthermique de certaines pièces.
Le recuit de sphéroïdisation est principalement utilisé pour l’acier au carbone sur-eutectoïde et l’acier à outils allié (comme l’acier utilisé dans la fabrication d’outils de coupe, d’outils de mesure et de moules). Son objectif principal est de réduire la dureté, d’améliorer l’usinabilité et de préparer la trempe ultérieure.
•Recuit de sphéroïdisation
Lors de la trempe, les fluides de refroidissement les plus couramment utilisés sont l’eau salée, l’eau et l’huile.
Pièce de trempe à la saumure, facile à obtenir une dureté élevée et une surface lisse, pas facile à produire des points mous qui ne sont pas durs, mais il est facile de provoquer une déformation grave de la pièce, et même une fissure. L’huile en tant que fluide de trempe ne convient que pour la trempe de certains aciers alliés ou de pièces en acier au carbone de petite taille avec une stabilité relativement grande de l’austénite surfondue.
Objectif de la trempe de l’acier
- Réduire la fragilité, éliminer ou réduire les contraintes internes, la trempe de l’acier après qu’il y a beaucoup de contraintes internes et de fragilité, comme le fait de ne pas tremper en temps opportun provoquent souvent une déformation de l’acier ou même une fissuration.
- Pour obtenir les propriétés mécaniques requises de la pièce, la dureté de la pièce après trempe est élevée et cassante, afin de répondre aux exigences de différentes performances de diverses pièces, vous pouvez ajuster la dureté grâce à la coordination de revenu appropriée, réduire la fragilité, obtenir la ténacité requise, la plasticité.
- Taille stable de la pièce
- Pour certains aciers alliés dont le recuit est difficile à adoucir, le revenu à haute température est souvent utilisé après la trempe (ou la normalisation), de sorte que les carbures de l’acier sont correctement rassemblés et que la dureté est réduite pour faciliter la coupe.
Prévention des déformations
- Sélection raisonnable des matériaux. Pour les moules sophistiqués et complexes, l’acier à matrice micro-déformé avec un bon matériau (tel que l’acier trempé à l’air) doit être sélectionné, l’acier à matrice avec une ségrégation de carbure sérieuse doit être raisonnablement forgé et revenu traité thermiquement, et un traitement thermique à double raffinement en solution solide peut être effectué pour l’acier à matrice grand et infalsifiable.
- La conception de la structure du moule doit être raisonnable, l’épaisseur ne doit pas être trop large, la forme doit être symétrique, la loi de déformation doit être maîtrisée pour le moule à grande déformation, la tolérance de traitement doit être réservée et la structure combinée peut être utilisée pour le moule grand, précis et complexe.
- Les comtés de moules complexes de précision doivent être préchauffés pour éliminer les contraintes résiduelles générées lors de l’usinage.
- Une sélection raisonnable de la température de chauffage, le contrôle de la vitesse de chauffage, le chauffage lent, le préchauffage et d’autres méthodes de chauffage équilibrées peuvent être adoptés pour les moules de précision et complexes afin de réduire la déformation du traitement thermique du moule.
- Dans le but de garantir la dureté du moule, essayez d’utiliser le pré-refroidissement, la trempe à refroidissement fractionné ou le processus de trempe à chaud
- Pour les moules de précision et complexes, si les conditions le permettent, essayez d’utiliser la trempe par chauffage sous vide et le traitement cryogénique après la trempe.
- Pour certains moules de précision et complexes, le pré-traitement thermique, le traitement thermique de vieillissement, le traitement thermique de trempe et le traitement thermique à l’ammoniac peuvent être utilisés pour contrôler la précision du moule.
