Fours d'durcissement et malléabilisation pour traitement termique d'acier.
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Traitement termique d'acier

Fours d'durcissement et malléabilisation

L'acier est un alliage de fer et de carbone, dans lequel la teneur en carbone varie normalement de 0,02% à 6,5%. Suivant les étapes de production, les atomes de carbone se logent dans les interstices plus ou moins larges du réseau cristallin du fer, ce qui provoque des torsions et des dislocations plus ou moins homogènes de cette structure métallique. Souvent, d'autres métaux comme le chrome, le cobalt, le manganèse, etc...sont également ajoutés à l'alliage, ce qui conduit pareillement à une modification du réseau cristallin des atomes de fer et des propriétés de l'acier.
A la température ambiante et jusqu'à 911°C, le fer à l'état pur présente un réseau cristallin cubique centré (fer alpha) appelée ferrite. A une température située entre 911°C et 1392°C, le fer présente un réseau cristallin cubique à faces centrées (fer y) appelée austénite. Au delà de 1392°C, l'acier apparait de nouveau sous diverses formes : des réseaux cristallins cubiques centrés et des réseaux cristallins cubiques à faces centrées appelés fer delta (d) ou d-ferrite. Selon la structure du réseau cristallin métallique, le carbone se trouve soit dans un interstice tétraédrique soit dans un interstice octaédrique du réseau cristallin ferreux. La taille et la dislocation du réseau cristallin varient. Avec une dislocation plus importante, l'acier devient plus dur.
Lors du lent refroidissement de l'acier en fusion le réseau cristallin passe par des états intermédiaires comme l'austénite et la ferrite ou d'autres états mitigés. Pendant la transmutation chimique, le carbone se déplace sur le réseau cristallin métallique pour atteindre les endroits les plus favorables. La capacité d'absorption du réseau cristallin métallique est cependant limitée et lorsque la solubilité maximale du carbone dans l'acier est atteinte lors du refroidissement, des dépots de graphite ou bien de cémentite, un carbonate de fer, se forment. Le mélange de cémentite et de ferrite est appelé perlite. Dans le cas d'un fer ayant une teneur en carbone plus élevée se forme de la Lédeburit, un mélange d'austénite et de cémentite. Les différentes phases de la transmutation sont décrites dans le diagramme suivant qui montre les différents produits métalliques apparus en fonction du rapport Fer-Carbone (ci-après une représentation simplifíée):

diagramme fer-carbone, ferrite, austénite, 
perlite, cémentite, martensite

Les propriétés de l'acier comme la dureté et l'élasticité sont déterminées par la dislocation du réseau cristallin métallique et l'existence de dépots ainsi que par la taille des différents cristallites. Il est donc possible d'influer à volonté sur ces propriétés de l'acier par l'action de divers procédés thermiques.
KOYO THERMO SYSTEMS offre une technologie et une multiplicité de fours industriels pour la fonte, le trempage, la mise en solution, le recuit, le durcissement intérieur et extérieur par cémentation, la carbonitruration, la nitruration et la nitrocarburation. Dans la plupart des fours, ce sont les éléments chauffants Moldatherm® propres qui entrent en action.

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Fours de recuit et fours de trempe

Lors de la fusion, la pièce à traiter est portée par chauffage à une certaine température et ensuite refroidie lentement. Plusieurs objectifs peuvent etre ainsi poursuivis:
Dans le recuit de régénération, l'objectif est d'augmenter la taille de chaque cristallite. Ce faisant, la résistance et l'élasticité du matériau sont réduites, ce qui est recherché par certains procédés de fabrication arrachant des copeaux de métal.
Le recuit de détente est opéré à des températures relativement basses comprises entre 480°C et 680°C et a pour conséquence d'éliminer les dislocations internes de la pièce, dislocations qui étaient apparues lors de la déformation mécanique ou de l'usinage. Sinon, les propriétés de l'acier ne doivent pas etre modifiées.
Le recuit de diffusion peut durer jusqu'à deux jours, est opéré à des températures assez hautes comprises entre 1050°C et 1300°C et a pour mission de permettre une répartition homogène des atomes étrangers sur le réseau cristallin du fer. La vitesse de refroidissement détermine la formation des phases intermédiaires et ainsi les propriétés de l'acier.
Par recuit de cristallisation, on entend la reconstitution des cristallites tels qu'ils existaient avant la dislocation à froid. Dans le cas présent, la pièce à traiter est amenée par chauffage à des températures juste au dessus de la température de cristallisation, soit entre 550°C et 700°C. Cette température de cristallisation dépend du matériau et du degré de dislocation.
Le recuit de normalisation est un des procédés de traitement thermique les plus importants. Il a pour objectif la formation d'une structure de cristallites à grains fins, répartis de manière homogène sur la pièce à traiter. Dans le cas d'aciers ayant une teneur en carbone plus importante, la température de fusion se situe juste au dessous de 800°C; dans le cas d'aciers ayant une teneur en carbone plus faible, la température de fusion normale monte jusqu'à 950°C.
Dans le recuit d'adoucissement, les dépots existants de cémentite et de perlite sont réduits pour diminuer la dureté et la résistance de l'acier et faciliter la déformation. Les températures usuelles ici sont comprises entre 680°C à 780°C.
KOYO offre pour chaque procédé de recuit des fours à fusion continue et discontinue, tant pour le fonctionnement sous certaines conditions atmosphériques que pour le fonctionnement sous vide.

Four à recuit de normalisation Four en continu pour recuit de fils
Four à recuit de normalisation Four en continu pour recuit de fils

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Le trempage de l'acier

Durcissement par trempage dans un four de trempe

Lors du durcissement d'un acier non allié dans un four de mise en solution, la pièce à traiter est tout d'abord amenée par chauffage à une température comprise entre 800°C et 900°C et maintenue à cette température jusqu'à ce qu'il ne reste plus que de l'austénite, dans le cas d'un acier avec une faible teneur en carbone. Ce procédé est appelé austénitisation. Dans le cas d'aciers alliés, la température peut différer de manière significative.
Pour éviter la corrosion, il est possible d'introduire dans le four un gaz exotherme. Ce gaz exotherme est produit dans un gazogène adéquat à partir d'hydrocarbures et contient, outre du monoxyde de carbone (CO), de l'hydrogène (H2) et de l'azote (N2), du dioxyde de carbone (CO2) et de l'eau (H2O).

Gazogène pour la production de gaz exotherme
Gazogène pour la production de gaz exotherme

Après le chauffage, l'acier est refroidi si rapidement par la mise en solution ou plutot trempé si brutalement dans un bain d'eau froide que les atomes de carbone ne peuvent pas échanger leur place contre une position plus avantageuse sur le réseau cristallin, car la vitesse de diffusion des atomes de carbone à basses températures devient trop faible pour permettre une migration d'un interstice à un autre.
Lorsque la température continue de décroitre, le réseau cristallin du fer modifie cependant la structure cristalline et il se forme alors un nouvel acier, l'acier martensititique encore appelé martensite. La martensite est très dure et résistante du fait des dislocations et des torsions apparues dans la réseau cristallin, mais elle est aussi très peu malléable et cassante.
Dans le cas de grosses pièces à traiter, il est nécessaire d'appliquer des vitesses de refroidissement plus grandes afin de pouvoir durcir la pièce intégralement. Dans la pratique, les pièces sont jetées dasn un bain d'huile ou bien d'eau. La méthode la plus efficace est celle de la trempe dans l'eau du fait de sa haute conductibilité thermique. Au moment de l'immersion de la pièce dans l'eau, il se forme tout d'abord à sa surface une couche de vapeur très peu conductible (phénomène dit de Leidenfrost). Il faut accorder une grande importance à la phase d'immersion: le contact de la pièce avec le liquide doit s'effectuer de manière homogène et sur toute sa surface. Il est également possible d'utiliser des solutions aqueuses de polymères pour le trempage.
Le chauffage des pièces peut etre effectué soit dans un four à hotte chargé par le bas et duquel les pièces peuvent etre rapidement retirées dans un mouvement rotatoire, soit dans un four équipé d'un tapis roulant ou un four à rouleau au bout duquel les pièces tombent ou glissent dans le bain de trempe.

Four à hotte et four de trempe Four de trempe à tapis de traction Fours sous vide d’air
Four à hotte et four de trempe Four de trempe à tapis de traction Fours sous vide d'air

On rencontre aussi assez fréquemment l'usage de fours sous vide d'air pour les procédés de trempage et pour le durcissement. La faible teneur en oxygène de l'air utilisé empeche l'oxydation ou plutot le ternissement à la surface des pièces.

Le lavage des pièces

Après le trempage ou plutot la mise en solution dans l'huile ou dans des émulsions, il est nécessaire de laver les pièces avant de leur faire subir l'étape suivante, à savoir le chauffage dans un four de recuit. KOYO propose pour cela des machines à laver à part entière; mais il est aussi possible d'intégrer des cycles de lavage dans un four de durcissage. Les différentes étapes de chauffage, mise en solution, trempage, lavage et recuit peuvent etre alors réalisées dans une seule installation.

Lavage après refroidissement
Lavage après refroidissement

Technologie de lavage

Le recuit de l'acier dans un four de recuit

Après la mise en solution, l'acier martensitique est certes très dur mais ausi très cassant. On peut parer à cela en chauffant à nouveau la pièce par un procédé appelé le recuit.
A des températures situées en dessous de 100°C, les dislocations de l'acier martensitique donnent d'abord lieu à un enrichissement en atomes de carbone. A des températures comprises entre 100°C et 200°C, les atomes de carbone se mettent à migrer au sein du réseau cristallin et quittent la place peu favorable qu'ils occupaient jusqu'alors. Un dépot de carbonate de fer se forme par précipitation (?). Lorsque la température continue de s'accroitre, ce phénomène s'accélère. Au delà de 320°C, tous les atomes de carbone quittent leurs positions défavorables au sein du réseau cristallin. Au delà de 400°C, il ne se produit plus aucune modification significative de la structure cristalline métallique et l'acier devient à nouveau souple. Excepté dans le cas d'aciers alliés contenant du chrome, du vanadium, du molybdène et du wolfram où la dureté de l'acier augmente à nouveau à ces températures, puisqu'il se forme des carbonates. Ce second recuit est important pour des pièces qui devront conserver leur dureté à de hautes températures lors d'une utilisation ultérieure.
En général, la dureté de l'acier diminue au fur et à mesure que la température de recuit augmente. En présence d'air, la surface s'oxyde, ce qui provoque un changement de couleur visible de la pièce. La couleur témoigne de l'épaisseur de la couche d'oxyde ainsi formée. La durée du recuit dépend de la masse et de l'épaisseur de la pièce traitée.

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Durcissage de surface

A l'inverse du durcissement par trempage et recuit, lors desquels l'ensemble du matériau est durci, il est possible de durcir sélectivement la surface. La surface dure est combinée à un matériau central dur. Pour cela, on a le choix entre plusieurs procédés de durcissage.

La cémentation ou ajout de carbone

Le processus de durcissage par cémentation est utilisé pour des aciers à faible teneur en carbone. La pièce est trempée dans un gaz endotherme riche en carbone.
Le gaz endotherme est produit dans un gazogène à partir de méthane, d'éthane ou de propane et est formé principalement de monoxyde de carbone, d'hydrogène et d'azote.

gazogène pour la production de gaz endotherme
gazogène pour la production de gaz endotherme

Dans le four à cémentation, l'acier porté à des températures allant de 900°C à 1000°C absorbe le carbone contenu dans le gaz endotherme. A proximité de la surface (à environ 1mm de profondeur), la concentration de carbone peut etre augmentée jusqu'à la limite de la solubilité de l'austénite. Suivent des processus de mise en solution, de trempage et de recuit, lesquels peuvent etre réalisés dans les fourneaux type KCF de KOYO. Le durcissage de la surface peut etre réalisé dans une installation en continu ou en non continu. Dans une installation en continu (four à passage), le transport peut etre effectué par un foyer céramique roulant ou par un système de poussoir, ou encore sur un treillis roulant.

Fourneau en continu de type poussoir avec un système de foyer céramique roulant Fourneau avec tapis roulant grillagé pour la carburation, la carbonisation
Fourneau en continu à dispositif de poussoir avec foyer céramique roulant Fourneau avec treillis roulant pour cémentation

On peut aussi utiliser des fourneaux à canon tournant pour le durcissement de l'acier. Dans ces installations, on peut aussi intégrer d'autres étapes de traitement comme la mise en solution, le lavage des pièces ou encore le recuit.

Fourneau à carburation continue avec canon tournant
Fourneau en continu à canon tournant pour la cémentation

Durcir par carbonitruration

Lors de la carbonitruration, on ajoute non seulement du carbone pendant la phase de chauffage par introduction de gaz, mais on ajoute aussi de l'azote, ce qui conduit à la formation de nitrures et de carbonates à la surface de la pièce. Dans le processus de carbonitruration, l'azote est introduit normalement sous la forme de gaz ammoniac NH3.
Si la carbonitruration a lieu à des températures allant de 650°C à 770°C, l'azote peut se dissoudre complètement dans l'acier et il se forme, après la mise en solution, une fine couche de nitrures et de carbonates sur la couche azotée de martensite. Lors d'une carbonitruration à des températures allant de 770°C à 930°C, cette couche ne se forme pas, étant donné que le carbone peut mieux se fondre. L'azote stabilise la phase d'austénite et permet ainsi une mise en solution moins brutale du matériau tout en obtenant simultanément une dureté supérieure. La couche durcie est cependant plus fine que celle obtenue lors d'une cémentation et la couche de transition entre la surface et le coeur du matériau est plus résistante.
De meme que lors la cémentation, une mise en solution et un recuit suivent l'étape de trempage dans la phase gazeuse.

Four à carbonitrisation Four à carbonitrisation sans flammes, Four à carbonitruration avec mise en solution sous vide
Four à carbonitruration Four à carbonitruration sans flammes, Four à carbonitruration avec mise en solution sous vide

Durcir par nitruration et nitrocarburation

Dans la nitruration dans un four adéquat, l'azote se dissout à la surface de l'acier à des températures relativement basses allant de 500°C à 550°C. La souce d'azote utilisée est l'ammoniac. Dans cette réaction, l'azote fond dans l'acier et pénètre son réseau cristallin pour en occuper les interstices. Cela conduit à une tension du réseau cristallin et à un durcissement du matériau. Il n'y a pas besoin d'effectuer de mise en solution et le durcissement du matériau ne repose pas sur la formation de martensite. Lors du refroidissement des nitrures se forment et se déposent.
Dans la nitrocarburation, on ajoute, à l'azote introduit au départ, du carbone issu de la phase gazeuse et formé respectivement à partir de monoxyde de carbone et d'hydrocarbures. L'acier contenant lui-meme déjà de l'azote et réduisant ainsi la solubilité du carbone, ce dernier se dissout très difficilement dans l'acier et reste sur le pourtour de la pièce. Il se forme par refroidissement des carbonitrures. La phase de durcissement par nitrocarburation est plus courte que par carbonitruration.
Les aciers nitrocarburés et carbonitrurés possèdent une fine couche de surface très dure et particulièrement ductile, qui cependant n'est pas très résistante à l'usure et est légèrement cassante. L'épaisseur de la surface signifie une résistance accrue à la corrosion et un meilleur polissage.

Four à hotte, à nitrocarburation Four de nitrocarburation à 2 vitesses
Four à hotte, à nitrocarburation 2-stage nitriding kiln

KOYO Thermo Systems et Crystec se réjouissent de construire votre installation conformément à vos exigences et à un cout raisonnable. Prenez contact avec Crystec Technology Trading GmbH pour en discuter plus en détail.

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