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close this bookFormation Professionelle en Afrique: Technologie Generale pour Construction Métallique - Tome 2
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30. Traitements thermiques des métaux

I. Définition

Par traitement thermique, on désigne toute opération faite à chaud et destinée à modifier la structure d'un métal pour lui donner de nouvelles qualités. Ces traitements sont:

pour l'acier: la trempe, le recuit, et la cémentation;
pour la fonte: la malléabilisation.

1. Constituants de l'acier à outils:

* le fer pur (Fe) l'acier à outils en contient 99,5 à 98,5%;
+ le carbone (C) l'acier à outils en contient 0,5 à 1,5%.

2. L'atome de fer est constitué par un noyau formé de 26 protons et de 30 neutrons, autour duquel gravitent 26 électrons.

L'atome de carbone est constitué par un noyau formé de 6 protons et de 6 neutrons, autour duquel gravitent 6 électrons.

Rappel: les métaux, (comme tous les éléments) se distinguent entre eux par le nombre de particules qui les constituent et qui leur donnent leurs caractéristiques.

En alignant 3,5 millions d'atomes de fer, on obtient 1 millimètre.

3. Le cristal de fer est constitué par des atomes de fer assemblés en réseau (réseau cristallin) à la façon de cubes empilés.

A l'état froid, le fer, dit «fer alpha», forme (par convention) son réseau avec des cubes comprennant un atome à chaque sommet, plus un atome au centre. Le cube est dit «massif centré».

A l'état chaud, le fer, dit «fer gamma» forme (par convention) son réseau avec des cubes comprennant un atome à chaque sommet, plus un atome au milieu de chaque face. Dit «cube creux a faces centrées».

Il n'y a pas de molécule de fer, les atomes des faces et des sommets appartiennent aussi au cube voisin.

La maille du réseau cristallin (arête du cube) mesure environ 0,28 millicron pour le fer alpha et 0,36 millicron pour le fer gamma.

4. Le grain de fer comprend un nombre plus ou moins grand de mailles. La grosseur de ce grain, dit fin ou grossier, dépendra du traitement thermique (par ex. trempe) ou mécanique (par ex. forgeage, laminage).


atome


réseau cristallin de fer alpha


grains de fer (env. 1/10 mm ø)

5. Le carbure de fer (Fe3C) combinaison de 3 atomes de fer et de 1 atome de carbone, (voir sous 7 cémentite).

6. Structures de l'acier à outils:

L'atome de fer et le réseau cristallin sont pratiquement invisibles. Les représentations que l'on en fait sont donc conventionnelles.

Entre l'atome invisible et le grain de fer qui est visible à l'œil nu, il est possible, au moyen d'un microscope, de distinguer la structure de la matière. Cette structure varie en fonction de la teneur en carbone et des traitements thermiques.

7. Variétés de structures:

La ferrite est du fer «alpha» pur. Elle est malléable et facilement usinable, mais sa résistance est faible. Symbole: Fe.

Le graphite est une des formes du carbone (réseau hexagonal). Une autre forme est le diamant (réseau cubique) ou le charbon (qui ne se cristalise pas). Symbole: C.

La cémentite est Un carbure de fer (Fe7C), combinaison chimique de fer et de carbone (6,7% C). Elle est dure, cassante, non usinable.

La perlite est un mélange de ferrite et de cémentite, contenant toujours 0,9% C. Elle est résistante et usinable, peu malléable.

L'austénite est du fer «gamma», mélange de fer et de carbure de fer. Elle se forme à chaud (voir le diagramme: fer-carbure de fer). Elle a la propriété de dissoudre le réseau de carbone, c'est-à-dire de séparer ses atomes.

La martensite est l'état de l'austénite après la trempe. C'est une structure très fine et très dure, qui ne résiste pas à la chaleur.

Il existe d'autres structures intermédiaires, ce sont: la sorbite, la troostite, la bainite, etc.

Ci-dessous 4 microphotographies au 1:1000. Les avales mesurent en réalité environ 0,06 mm de long.


Perlite


Perlite + Ferrite


Perlite + Cémentite


Martensite

II. Transformations de l'acier, théorie de la trempe.

1. Pour la fabrication de l'outillage, on utilisera les aciers au carbone soit:

Perlite + Ferrite pour les aciers ayant une teneur de 0,1 à 0,8%C.
Perlite pour une teneur de 0,9%C.
Perlite + Cémentite pour une teneur de 1%C et plus.

2. Diagramme Fer - Carbure de Fer


Figure

Cette figure représente les effets du chauffage de quelques éprouvettes d'acier contenant entre 0,2 et 1,2% de carbone.

La ligne horizontale «Ac 1» située à 725° indique qu'une transformation s'amorce à cette température, et cela pour toutes les catégories d'acier. La perlite se transforme en austénite.

Les lignes obliques «Ac 3» et «Ac cm» indiquent la température à partir de laquelle toutes les structures sont transformées en austénite, et le fer alpha transformé en fer gamma.

Le point «S» est appelé point «Eutectique», correspond à une teneur en carbone de 0,9%. C'est la température de transformation la plus basse des alliages fer-carbone.

La ligne mixte · - · - · - · - indique la température, dite «température de trempe» à laquelle il faut porter l'acier lors de la trempe.

La température de trempe des aciers ayant 0,9%C (dits «eutectiques») et des aciers ayant moins de 0,9%C (dits «hypo-eutectiques») est environ 35° plus élevée que celle indiquée par la ligne «Ac 3».

Pour les aciers extra-durs ayant plus de 0,9%C (hyper-eutectiques) la température de trempe reste fixée a 760°, il n'est pas nécessaire de transformer la cémentite en austénite, elle est suffisamment dure.

L'acier ne prend bien la trempe, qu'à partir d'une teneur en carbone de 0,5% (aciers demi-durs). Entre 0,1 et 0,4%C, c'est de l'acier doux.

3. Théorie de la trempe

Lorsque l'on chauffe un acier au-dessus de son point de transformation supérieure (ligne Ac 3 du diagramme Fe-C), le fer gamma qui s'est formé à la propriété de dissoudre le carbone.

* Les atomes de carbone, qui se trouvent dans l'acier, se séparent les uns des autres. Ils se répandent à l'intérieur du cristal de fer gamma, comme du brouillard à travers les branches d'un arbre, et se répartissent régulièrement.

On obtient ainsi une nouvelle structure: l'austénite.

* Si l'on laisse l'acier se refroidir lentement, le carbone ressort du réseau gamma et l'acier retrouve sa structure précédente. Voir au diagramme les structures en dessous de 725°.

* Mais si l'on refroidit brusquement l'acier, le carbone n'a pas le temps de sortir du réseau qui, tout en redevenant du fer alpha, garde le carbone dans ses mailles.

L'austénite s'est transformée en une nouvelle structure, qui sera la martensite, et dont le grain sera très fin. Mais sa qualité principale sera une très grande dureté.


Fer alpha dans la structure ferrite, à l'état froid. Seuls les noyaux des atomes sont représentés. Les orbites des électrons se touchent.


Fer gamma dans la structure austénite, à l'état chaud. Un atome de carbone s'est glissé dans le cube.


Fer alpha dans la structure martensite, après la trempe. Les atomes de carbone sont, ici, (petites sphères) disposés sur les faces horizontales des cubes.

III. Pratique de la trempe

1. Règles pour chauffer

Il faut chauffer lentement, progressivement et à cœur. Les pièces à tremper doivent d'abord être nettoyées et dégraissées.

La température à atteindre dépend de la qualité de l'acier (acier au carbone ou acier allié) et sa teneur en carbone.

Il est donc nécessaire de connaître ces données avant de commencer le travail.

Les outils d'établi, burins, poinçons, etc., sont en acier au carbone d'une teneur de 0,9 a 1,2%C. Conformément au diagramme Fe-C on les portera à la température de 760°, correspondant à la couleur rouge cerise fonce.

Il est mauvais pour cet acier, d'être surchauffé. On prendra garde de ne pas atteindre, ni surtout dépasser 810° (rouge cerise clair).

Il est donc prudent de ne pas laisser stationner une série d'outils dans le feu de forge.

Les fabriques d'outillage utilisent de préférence des fours spéciaux munis d'instruments précis de contrôle de la température, par exemple des pyromètres à bi-métal, dits thermo-électriques (aiguille et cadran) ou des pyromètres optiques, à filament lumineux (comparaison de couleur entre la pièce chaude et le filament).

2. Couleurs d'incandescence: (lumineuses)

Rouge foncé

680°

Rouge clair

850°

Rouge cerise ronce

750°

Jaune

1000°

Rouge cerise

780°

Blanc-soudant

1200°

Rouge cerise clair

810°

Point de fusion

1500°

3. Règles pour refroidir:

Le refroidissement de la pièce a tremper se fera en la mettant en contact avec Un liquide, un solide froid, ou à l'air.

La vitesse de refroidissement (différence de température) doit être très grande pour les aciers au carbone et d'autant plus petite que l'acier contiendra du nickel ou de manganèse.

Le volume du bain de trempe doit être assez grand, pour ne pas être échauffé trop rapidement.

4. Variétés de trempes:

Trempe vive se fait dans un bain froid à haute conductibilité de la chaleur, par exemple l'eau douce ou l'eau salée.

Elle est utilisée pour les burins à fer ou à pierre.

trempe douce plus lente, se fait dans l'huile ou à l'air.

Elle est utilisée pour les tarauds, mèches, poinçons et matrices, etc.

Trempe étagée en bains de sels, huile sur eau, plomb fondu, etc.

Elle est utilisée pour les aciers spéciaux, rapides, etc.

L'acier rapide, chauffé à 1200° est plongé dans un bain (huile ou sels) à 400°, puis soumis à un violent courant d'air jusqu'à refroidissement total.

5. Trempe combinée

C'est le procédé couramment utilisé dans les ateliers pour la confection et la réparation des outils d'établi. Il combine en une seule chauffe les opérations de trempe et de revenu.

* chauffer l'outil (broche, ciseau, etc.) au rouge cerise foncé, env. 3 cm;

* plonger l'extrémité (env. 1 cm) dans l'eau jusqu'à son refroidissement;

* blanchir la partie refroidie en la frottant avec une lime ou sur une brique rugueuse;

* laisser revenir la chaleur emmagasinée à l'arrière. La pointe de l'outil se colore par oxydation;

* au moment où la couleur choisie apparaît, plonger immédiatement l'outil dans l'eau et le refroidir complètement.

IV. Le revenu

Le revenu a pour but de diminuer la fragilité des aciers trempés. Il supprime les tensions internes provoquées par la trempe.

Il restitue une partie de la résistance et de l'élasticité, et permet d'obtenir des duretés intermédiaires adaptées aux conditions d'utilisation des outils.

Ces effets sont obtenus par un réchauffement après trempe, mais à une température ne dépassant, en général, pas 320°.

1. Couleurs de revenu

Lorsqu'un acier poli ou blanchi est exposé à la chaleur, sa surface se colore par oxydation de teintes plus ou moins foncées, en fonction d'une part de la température atteinte et d'autre part de la durée d'exposition à la chaleur.

La couleur indiquera donc, approximativement, la température atteinte.

Jaune paille

220°


Violet

280°

burins à fer

Jaune foncé

240°


Bleu foncé

290°


Brun

260°

burins à pierre

Bleu clair

320°


Rouge pourpre

270°


Gris bleu

340°


2. Procédés de chauffage (refroidissement)

* par réserve interne, voir: trempe combinée.

* par deuxième période de chauffage, après un refroidissement complet lors de la trempe. L'acier est alors réchauffé soit au feu de forge, soit posé sur une plaque de fer portée au rouge. C'est, dans ce cas, l'arrière de l'outil qui sera exposé à la chaleur, afin de pouvoir contrôler la progression de la couleur de revenu.

* par immersion dans un bain chaud d'huile ou de sels fondus. Les pièces étant à l'abri de l'air, il n'y aura pas de coloration. La température sera contrôlée par un thermomètre.

V. Le recuit

a pour but de détruire l'effet de la trempe et du revenu, ou de régénérer un métal écroui par suite de martelage à froid.

Il consiste à réchauffer un acier jusqu'à son point de transformation (Ac 3), puis à le laisser refroidir très lentement, à l'abri de l'air, par exemple dans un mélange de sciure et de cendres.

VI. Recuit des métaux non ferreux

Ils sont rendus mous par un recuit, suivi d'une trempe.

VII. La cémentation

Cémenter consiste a carburer la surface d'un acier doux, en lui ajoutant du carbone. On chauffera la pièce à 900° (Ac 3) pour obtenir du fer gamma, qui pourra dissoudre et absorber le carbone.

Cette couche cémentée, dont l'épaisseur varie de 0,2 à 3 mm, est donc transformée en acier trempable. Après la trempe, la surface de la pièce deviendra très dure, mais l'intérieur restera doux. La pièce aura ainsi Une grande résistance à l'Usure et à la rupture.

Le cément utilisé, riche en carbone, sera: solide, liquide ou gazeux.

Le cément solide est un mélange de charbon de bois et de carbonate de baryum. Pièce et poudre sont enfermées dans une boîte, et le tout est chauffé pendant plusieurs heures.

Le cément liquide est du cyanure de potassium en fusion, dans lequel l'on suspend les pièces à traiter. Dureté obtenue: HB = 750 (Brinell).

La vitesse de pénétration est d'environ 0,4 mm par heure.

On peut aussi saupoudrer les pièces avec la poudre à cémenter et les chauffer sur le feu de forge, mais l'effet est très superficiel.

Comme cément gazeux divers gaz sont valables.' Par exemple: l'acétylène. Utiliser un chalumeau avec excédent d'acétylène, après avoir chauffé la pièce à 800°. Passer alors le panache de la flamme sur la surface a cémenter, en prennant garde de ne pas la brûler. La Vitesse de pénétration est de 0,1 à 0,2 mm Par minute.

VIII. La nitruration

Nitrurer consiste à durcir la surface d'un acier en lui faisant absorber à chaud de l'azote, sous forme de gaz ammoniac.

La dureté obtenue (HB = 1100 Brinell) sera plus grande que pour les pièces cémentées, elle résistera à la chaleur jusqu'à 500°.

IX. La malléabilisation

Malléabiliser consiste à décarburer une pièce en fonte en lui enlevant du carbone ou en modifiant la structure du carbone.

Fonte malléable blanche

Les pièces (raccords d'appareillage, par ex.) sont coulées en fonte blanche, puis déposées dans un récipient et entourées d'oxyde de fer.

Le tout est chauffé à environ 1000° pendant plusieurs jours et l'oxyde de fer obsera le carbone.

Les pièces minces, jusqu'à 3 mm d'épaisseur, seront entièrement décarburées (jusqu'à 8 mm pour la fonte malléable soudable). Elles auront des qualités semblables à celles de l'acier doux.

Fonte malléable noire

Les pièces sont recuites en atmosphère neutre (non oxydante).

Le carbone n'est pas enlevé, mais sa structure est modifiée. Le graphite va se présenter sous forme de petites sphères au lieu de lamelles (par suite d'une addition préalable de manganèse). Cette fonte aura une structure homogène, quelle que soit l'épaisseur des parois et des qualités semblables a celles de l'acier doux.

Questionnaire pour l'étude à domicile et pour les compositions

Traitements thermiques des métaux:

1. Qu'est-ce qu'un traitement thermique?
2. Quels sont les constituants de l'acier à outils?
3. Donnez la signification des termes: ferrite, graphite, martensite!
4. Que se passe-t-il dans l'acier à outils pendant le chauffage?
5. Que se passe-t-il dans l'acier à outils pendant le refroidissement lent?
6. Que se passe-t-il dans l'acier à outils pendant le refroidissement brusque?
7. Etablissez un tableau portant les couleurs d'incandescence!
8. Quels outils demandent: a) une trempe vive, b) une trempe douce?
9. Expliquez la trempe combinée d'un burin plat!
10. Expliquez la différence entre le revenu et le recuit!
11. Etablissez un tableau portant les couleurs de revenu!
12. Qu'est-ce que la cémentation?
13. Qu'est-ce que la malléabilisation?
14. Quelle est la différence entre les fontes malléables: blanche et noire?