Processus de trempe de l'acier et applications de classification

La trempe est un processus de traitement thermique dans lequel la pièce est chauffée à une certaine température critique, puis refroidie sélectivement pour obtenir une martensite de dureté élevée-ou une bainite inférieure résistante, suivie d'un revenu.

La trempe améliore la résistance à l’usure et la solidité des pièces, ainsi que leur durée de vie en fatigue.

 

 

Principes de trempe et déroulement du processus de base

 

L'acier et d'autres matériaux subissent des transformations de phase lorsqu'ils sont chauffés, et la transformation de phase d'austénitisation est la condition préalable à la trempe.

Généralement, l'acier hypoeutectoïde est trempé à une température de 20 à 30 degrés au-dessus de Ac3, tandis que l'acier hypereutectoïde est trempé à une température de 20 à 30 degrés au-dessus de Ac1.

Lors de la trempe, il est crucial d’éviter un échauffement excessif. Le temps de maintien doit être déterminé en fonction de la taille de la pièce et du modèle de four pour garantir une transformation microstructurale uniforme.

Le processus clé de la trempe est le refroidissement. La courbe de refroidissement idéale évite la région du nez de perlite, principalement pour empêcher la formation de structures non-martensitiques. La vitesse de refroidissement doit également être contrôlée pour réduire les contraintes internes et les déformations de la pièce.

Remarque : Ac1 et Ac3 représentent respectivement la température à laquelle l'austénite commence à se former et la température à laquelle l'acier hypoeutectoïde s'austénitise complètement lorsqu'il est chauffé. Ce sont des points de référence critiques pour déterminer le processus de recuit.

 

Principales méthodes du processus de trempe et directives opérationnelles clés

 

1. Trempe liquide unique-

La trempe à liquide unique-est la méthode de trempe la plus basique et la plus simple. Il est principalement utilisé pour les pièces aux formes simples et symétriques et aux variations de section transversale minimales, telles que les arbres et les broches.

Pour la trempe-liquide unique, le liquide de refroidissement approprié doit être sélectionné en fonction du matériau et de l'épaisseur de la pièce. Les aciers à faible-carbone et faible-alliés sont généralement trempés avec de l'eau ou de la saumure, tandis que les aciers-fortement alliés et les petites pièces de forme complexe-peuvent être trempés avec de l'huile ou une solution de polymère.

Pendant la trempe, assurez-vous que la pièce est immergée uniformément dans le milieu et que le milieu est correctement agité pour éviter qu'un film de vapeur ne gêne le refroidissement.

La trempe liquide unique-offre une stabilité de qualité élevée-et convient à une production à grande échelle-, mais la prudence est de mise concernant le risque de déformation et de fissuration provoqué par un refroidissement trop rapide.

 

2. Deux-trempes liquides

La trempe à deux-liquides combine les avantages d'un refroidissement rapide et lent. Tout d'abord, un premier milieu, tel que de l'eau ou de l'eau salée, traverse rapidement la région austénitique la plus instable du matériau. Une fois que la température du matériau approche la température de transformation de la martensite, le matériau est rapidement transféré vers un deuxième milieu, tel que l'huile, pour achever la transformation de la martensite.

La trempe à deux-liquides est particulièrement courante pour les pièces de taille moyenne-à-grandes en acier à haute-acier au carbone et en aciers-à-fortement alliés, tels que les moules et les ébauches d'engrenages.

La clé de cette opération réside dans le contrôle précis du temps de séjour de la pièce dans le premier fluide. Généralement, un temps de trempe de 1 seconde pour 3 à 5 mm d'épaisseur effective de la pièce est utilisé, bien que cela puisse également être déterminé en observant la disparition des bulles sur la surface de la pièce.

Le transfert du premier milieu vers le deuxième milieu doit être rapide et continu pour éviter une élévation de température qui pourrait provoquer une décomposition de la structure du matériau.

La trempe à deux-liquides réduit considérablement les contraintes thermiques et structurelles, ce qui en fait une méthode efficace pour contrôler la déformation et prévenir les fissures.

 

3. Étape de trempe

La trempe par étapes nécessite de chauffer la pièce jusqu'à l'austénitisation, puis de la tremper dans un bain chaud légèrement au-dessus du point Ms, tel qu'un bain de nitrate ou un bain alcalin, pour la maintenir. Une fois que la température est uniforme sur toute la section transversale de la pièce-, la pièce est retirée et refroidie à l'air-.

La trempe par étapes est souvent utilisée sur des outils et des pièces aux formes complexes et aux exigences de haute précision, telles que les tarauds, les petits engrenages et les arbres de précision.

Pendant le fonctionnement, les fluctuations de température du bain doivent être strictement contrôlées, généralement dans une plage de plus ou moins dix degrés Celsius. Le temps de maintien est calculé sur la base de la plus grande section-, généralement estimée à cinq millimètres par minute.

La trempe par étapes réduit efficacement les contraintes thermiques, permettant à la transformation martensitique de se dérouler progressivement pendant le refroidissement à l'air. Il en résulte une faible contrainte de microstructure et une déformation minimale. Cependant, en raison de la capacité de refroidissement limitée des sels fondus, il ne convient que pour les pièces dont l'épaisseur effective ne dépasse pas 20 mm.

 

4. Trempe isotherme

La trempe isotherme consiste à tremper complètement une pièce chauffée à la température austénitisante dans un bain chaud au niveau de la zone de transformation bainitique. Une période de maintien prolongée permet à l'austénite de se transformer complètement en bainite inférieure, suivie d'un refroidissement à l'air. La trempe austempering est principalement utilisée pour les pièces nécessitant une résistance, une ténacité et une stabilité dimensionnelle élevées, telles que les roulements et les moules de précision. La température et la durée isothermes sont déterminées en fonction de la courbe TTT de l'acier, avec des températures généralement comprises entre 250 et 400 degrés.

Après trempe, le matériau devient bainite, présentant une excellente résistance et ténacité, avec peu de tendance à la déformation ou à la fissuration. Cependant, la trempe naturelle a un cycle de production long, des coûts élevés et est limitée aux pièces avec des sections transversales-plus petites.

 

Problèmes courants et contrôle qualité

 

La trempe entraîne souvent des défauts tels qu'une dureté insuffisante, des points mous, une déformation, une fissuration, une oxydation et une décarburation.

Une dureté insuffisante est généralement causée par un chauffage à température trop basse ou un refroidissement insuffisant. Une autre cause est la décarburation superficielle de la pièce.

Les points mous sont généralement causés par des agents de trempe contaminés ou par la présence de tartre d'oxyde sur la surface de la pièce. La déformation et la fissuration peuvent être causées par des contraintes thermiques ou structurelles excessives.

Par conséquent, le contrôle qualité pendant la trempe nécessite une surveillance complète du processus, en particulier un contrôle précis de la température pendant la phase de chauffage. Pendant la phase de refroidissement, la température, la concentration et le taux de circulation du fluide doivent rester stables. Une trempe est nécessaire immédiatement après la trempe pour éliminer les contraintes résiduelles dans les pièces.

Lors de la production en série, des contrôles ponctuels réguliers de la structure métallographique et du gradient de dureté doivent être effectués. Les tests non destructifs peuvent être utilisés sur les pièces critiques pour détecter les fissures.

 

Compatibilité des matériaux et sélection du processus

 

Les différences de composition entre les matériaux entraînent des variations dans la trempabilité, les températures de début de transformation martensitique et les vitesses de refroidissement critiques. Par conséquent, un processus de trempe spécifique doit être sélectionné en fonction des caractéristiques du matériau.

L'acier à faible-carbone et l'acier de construction faible-allié ont une trempabilité relativement faible et sont généralement trempés avec de l'eau ou une trempe à deux-liquides pour améliorer la dureté de surface et la résistance à l'usure des pièces.

L'acier trempé et revenu à moyenne -carbone nécessite d'assurer un durcissement complet du noyau, c'est pourquoi la trempe à l'huile ou la trempe rapide à l'huile est généralement utilisée pour éviter la déformation et la fissuration.

L'acier à outils à haute teneur en carbone-est sujet à la surchauffe, ce qui augmente le risque de déformation. Par conséquent, une trempe par étapes ou une trempe par bain alcalin à basse température - peuvent être utilisées.

Les aciers pour matrices fortement alliés tels que le H13 ont une excellente trempabilité, ils peuvent donc être trempés au gaz ou durcis dans un bain de sel à haute température pour minimiser la distorsion.

Les pièces cémentées nécessitent une ténacité à cœur particulièrement élevée, elles nécessitent donc des températures relativement basses, soit une trempe directe, soit un durcissement dans un bain de sel.

L'acier inoxydable et l'acier-rapide nécessitent un préchauffage et une trempe au bain de sel pour éviter les fissures et la précipitation des carbures.

La trempe est un processus complexe et critique, c'est pourquoi la méthode de trempe appropriée doit être sélectionnée en fonction des propriétés du matériau, de la forme de la pièce et des conditions de fonctionnement.

La trempe nécessite un contrôle strict des processus de chauffage et de refroidissement pour obtenir la microstructure et les propriétés souhaitées, tout en garantissant une qualité de produit constante et fiable.