Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Yves DESALOS
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Florence LE STRAT : Ingénieurs chez Renault SA - Docteurs ès sciences
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les traitements thermiques superficiels des pièces en alliages ferreux sont destinés à améliorer leur résistance à la fatigue ou (et) à l’usure en durcissant les zones critiques superficielles par des apports thermiques suffisamment brefs et localisés pour confiner les effets structuraux. Les cycles thermiques associés visent soit un chauffage rapide localisé d’austénitisation en phase solide (typiquement quelques secondes au-delà de 800 oC) suivi de trempe naturelle ou forcée, soit une refusion superficielle suivie du refroidissement permettant l’évolution structurale désirée (par exemple : transformation de fonte grise en fonte blanche).
À côté de ces traitements par seul apport thermique, se développent aussi des traitements avec refusion superficielle en présence d’un matériau d’apport sous forme de prédépôt ou poudre projetée : simple enrichissement, recouvrement par un nouvel alliage, inoculation de particules dures ou réfractaires...
Nous n’aborderons dans le présent article que la famille de traitements sans matériau d’apport, en nous attachant essentiellement au durcissement en phase solide des aciers.
Dans ce dernier domaine, économiquement important pour les industries mécaniques, la plus large place revient au durcissement superficiel par trempe après chauffage par induction électromagnétique (source thermique sous-cutanée de courants induits haute fréquence).
L’essor de ce procédé est lié à ses avantages techniques et économiques :
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limitation économique (rendement) et modulable des apports énergétiques ;
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disponibilité (délai de mise en œuvre) et souplesse de la source ;
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cycles rapides et non polluants autorisant le traitement en chaîne de fabrication ;
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qualité des pièces traitées en ce qui concerne la reproductibilité du durcissement, les risques de déformations, la facilité de mise en compression naturelle des surfaces, la faible épaisseur affectée par l’oxydation de celles-ci.
Le développement plus particulier de ces traitements dans l’industrie automobile a accompagné la mise au point de générateurs et d’inducteurs adaptés aux fortes cadences, ainsi que de transferts automatisés permettant une gestion industrielle à flux tendu.
D’autres sources thermiques capables de puissances surfaciques importantes, telles que : lasers continus ou impulsionnels, faisceaux d’électrons, torches plasma, permettent des localisations énergétiques plus précises encore que l’induction et commencent à faire l’objet d’applications industrielles en durcissement superficiel. Malgré des coûts d’investissement descendus à des niveaux raisonnables, elles sont encore surtout retenues pour des traitements difficiles quant à l’accès et aux détails des zones à traiter.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 1981 par Kirsten AASE DIAMENT, René EL HAÏK
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Matériels pour la mise en œuvre industrielle de ces traitements3. Limitations thermiques et métallurgiques de ce type de traitement
Pour obtenir simultanément dans les zones traitées, les profils désirés de duretés, microstructures, et contraintes résiduelles, il faut pouvoir prévoir, d’une part, les cycles thermiques en fonction de la puissance surfacique, du temps de chauffage et de la sévérité de trempe et, d’autre part, les conséquences structurales de ces cycles en fonction de la trempabilité de l’acier utilisé.
3.1 Limites imposées par la thermique du chauffage
Plaçons une pièce d’acier dans un champ électromagnétique de fréquence f. La répartition des courants induits et l’énergie dissipée dans la pièce peuvent être déterminées à partir des classiques équations de Maxwell, tandis que la résolution des non moins classiques équations de Fourier permet de connaître la distribution des températures dans la pièce, au chauffage, comme lors de la trempe ultérieure.
Ces résolutions sont actuellement à la portée de nombreux logiciels (SYSTUS, FLUX 2D, PHI 3D, etc.), mais des difficultés subsistent quant à la prise en compte des conditions aux limites, des changements de phase, et des variations spatio-temporelles des constantes électromagnétiques et thermiques de la pièce.
Pour se faire une image simplifiée, nous supposerons en première analyse que la perméabilité relative, µr = µ / 4 π 10–7, ainsi que la résistivité ρ sont constantes dans la plage d’étude.
Les densités de courants induits ont une évolution exponentielle avec la profondeur z sous la surface : J (z ) = J (0) exp (– z /p ), expression dans laquelle la profondeur conventionnelle de pénétration est p = 500 (ρ / µ r f )1/2.
L’intégration de J sur la profondeur conduit à l’intensité des courants induits :
on peut remplacer la distribution réelle de courants...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Flame Hardening. - Le durcissement à la flamme ASM Metals Handbook 9e éd., vol. 4 (Heat Treating) p. 484-506 (1992).
-
(2) - Procédés électriques dans les traitements et revêtements de surface, ch. 6 Traitements par transformation structurale. - p. 330-61, DOPEE 85, collection. Electra.
-
(3) - FRÜNGEL (F.) - Trempe par impulsions. - Journée d’étude ATTT/SFM du 6/3/79, Paris. Tiré à part commun rev. Trait. Therm. et Rev. de Métall., juin-juil. 1979.
-
(4) - HEUVELMAN (C.J.), KÖNIG (W.), TÖNSHOFF (H.K.), MEIJER (J.), KIRNER (P.K.), RUND (M.), SCHNEIDER (M.F.), Van SPRANG (I.) - Surface Treatment Techniques by Laser Beam Machining. - (Techniques de traitement de surface par faisceau laser). Annals of the CIRP, vol. 41, p. 657-66 (1992).
-
(5) - HICK (A.J.) - Traitements rapides de durcissement de surface par laser ou faisceau d’électrons. - Rev. Trait. Therm. no 195 (1985).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Traitements superficiels par faisceaux à haute densité d’énergie.
-
Précontraintes et traitements superficiels.
-
Calcul des champs électromagnétiques.
HOUZÉ (M.) - Influence des traitements thermiques sur le Pouvoir Thermoélectrique des aciers de cuve [Texte imprimé] : effet des évolutions microstructurales des zones fortement ségrégées. - Institut national des sciences appliquées (Lyon) (2002).
PASSERAT (S.) - Comportement tribologique d'aciers et d'alliages de titane renforcés par traitements superficiels en glissement et en fretting. - Bordeaux (2000).
HAUT DE PAGE2.1 Association française de normalisation (AFNOR)
NF A 04-203 - Produits en aciers. Détermination de la profondeur conventionnelle de trempe après chauffage superficiel. - -
NF A 35-563 - Aciers spéciaux aptes aux traitements thermiques pour trempe après chauffage superficiel. Qualités - -
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Liste non exhaustive
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