Durcissement de l’acier : qu’est-ce que c’est et que permet ce traitement ?

Durcir l’acier est un processus qui permet d’améliorer les propriétés de nombreux objets quotidiens, outils, machines et éléments structurels. Un ensemble de forets, par exemple, n’auraient pas la même dureté, les mêmes performances et la même durabilité si le durcissement de l’acier avec lequel ils sont fabriqués n’avait pas été effectué.

Le durcissement de l’acier est l’un des processus qui impliquent d’appliquer de la température au métal, très courant dans l’industrie métallurgique. Des 90% de produits en acier qui sont soumis à un type de traitement thermique, la moitié passe par un traitement de durcissement. D’autres traitements habituels sont le revenu, le recuit et le durcissement superficiel, qui permet que les couches plus internes du métal ne durcissent pas.

Une des particularités du durcissement de l’acier est que, contrairement à d’autres processus thermiques, il s’applique aux pièces terminées après avoir été usinées, pas avant. C’est ainsi parce que durcir des blocs entiers d’acier serait très coûteux économiquement, surtout en tenant compte du fait que l’usinage postérieur serait plus coûteux (les outils de coupe auraient plus de difficulté à pénétrer dans la pièce) et qu’une partie du durcissement serait éliminée dans ce processus, rendant nécessaire de la durcir à nouveau. Dans cet article, nous expliquons comment ce processus est réalisé.

Qu’implique le durcissement de l’acier ?

Le durcissement de l’acier consiste en l’application de chaleur à l’acier puis un refroidissement rapide dans l’eau, l’air, l’huile ou une chambre froide pour obtenir la combinaison requise de dureté, ténacité et résistance, et peut être fait de différentes façons selon le type d’acier et les propriétés dont il a besoin : trempe, revenu ou durcissement superficiel. Cependant, l’acier durci fait généralement référence spécifiquement à la trempe.

L’acier durcit après ce processus parce que sa structure devient granulaire fine, cristalline, appelée austénite, de sorte que sa résistance à la traction augmente et sa ductilité diminue. En refroidissant brusquement, il se transforme en martensite (les atomes de carbone restent piégés dans cette structure cristalline), de sorte que le matériau devient très dur et fragile. Ce refroidissement doit être rapide pour éviter qu’avec la perte de température, l’acier ne passe par des phases qui le rendraient plus mou et ductile. Dans cet article, nous parlons des types d’acier (austénitique, martensitique, ferritique).

D’autres formes de durcissement, comme le revenu, peuvent venir après la trempe, pour que la phase martensitique de l’acier soit plus stable, c’est-à-dire que sa structure ne change pas facilement dans des conditions normales : ce traitement permet que l’acier soit encore dur mais aussi plus ductile et résistant.

En définitive, avec la trempe, on obtient un acier dur mais fragile, et avec le revenu postérieur, on réduit cette fragilité en chauffant l’acier à une température moindre et en permettant qu’il refroidisse plus lentement, ce qui améliore sa ténacité et sa résistance à la fracture.

Quelles propriétés le durcissement apporte-t-il à l’acier ?

L’acier durci est crucial dans les applications où la précision, la durabilité et la capacité à supporter des charges lourdes ou un usage continu sont requises, comme les outils de coupe, les outils manuels, les composants de machinerie et de véhicules, les moules et outils pour fabriquer d’autres outils, les composants pour la construction, etc. Les propriétés que confère le durcissement sont :

Résistance à l’usure

C’est l’une des propriétés phares que l’on recherche avec le durcissement de l’acier. Il s’agit de la capacité à résister à la détérioration par friction, contact ou impact avec d’autres matériaux, ce qui est crucial pour les outils de coupe, les engrenages, les roulements et autres applications où les composants doivent supporter cette friction, ce contact ou cet impact provenant d’autres matériaux. Sans cette résistance, ces outils et composants diminueraient leur efficacité en peu de temps, provoquant une augmentation des coûts de maintenance et de remplacement, et un risque pour la sécurité et la fiabilité des applications pour lesquelles ils sont utilisés.

Résistance à la corrosion

Bien que ce ne soit pas une propriété qui résulte directement du durcissement de l’acier, à l’acier durci on applique généralement un revêtement ou une passivation pour résister à la dégradation due à l’action des conditions environnementales, qui peut changer selon sa composition chimique. Les aciers inoxydables durcis, par exemple, combinent la dureté propre à la trempe avec une excellente résistance à la corrosion, ce qui les rend idéaux pour des environnements corrosifs.

Résistance à l’abrasion

Contrairement à l’usure, qui est la dégradation d’un matériau résultant de l’interaction de l’environnement avec lui, l’abrasion est une forme spécifique d’usure qui se produit par contact physique et frottement avec des surfaces rugueuses ou des particules abrasives, comme celle qui se produit avec un panneau de signalisation usé par le passage des années avec des particules de sable, endommageant sa surface et affectant sa lisibilité, ou simplement quand nous nous limons les ongles. L’acier durci résiste à l’abrasion en créant une surface plus dure, ce qui est très important dans l’industrie minière, ainsi que dans les outils de coupe qui entrent en contact avec des matériaux durs, où les outils doivent être ceux qui appliquent l’abrasion au matériau à travailler et non l’inverse.

Durabilité

La durabilité est une autre des propriétés les plus valorisées du durcissement de l’acier, car il n’aurait pas beaucoup de sens qu’il soit capable de résister à la fatigue (que le matériau s’affaiblisse ou défaille à cause de l’application de charges ou d’efforts de différents types en dessous de sa limite élastique), à l’usure, à l’abrasion et à la corrosion pendant peu de temps. L’acier durci a une durée de vie plus longue, maintenant son intégrité structurelle et sa fonctionnalité, ce qui le rend indispensable dans les pièces et outils qui sont soumis à des conditions extrêmes et à un usage répété sans défaillances, de l’industrie lourde et la construction jusqu’à la fabrication d’outils de précision et de dispositifs médicaux.

Contreparties du durcissement de l’acier

Tout dans le durcissement de l’acier ne présente pas que des avantages, il existe aussi des contreparties qui obligent les ingénieurs et concepteurs des pièces et des machines à établir un équilibre entre les propriétés nécessaires et les limitations offertes par les processus qui les rendent possibles. Certaines de ces limitations sont la plus grande fragilité et le risque de fracture, la possible distorsion des pièces pendant le traitement thermique, l’augmentation des prix associés aux processus de durcissement et de finition, et la réduction de la ductilité et de la soudabilité du matériau traité. C’est pourquoi il n’a pas de sens, par exemple, de durcir l’acier des ustensiles de cuisine, des meubles ou de certaines parties du moteur d’une voiture (bien que certaines parties du moteur ou de la transmission puissent nécessiter de l’acier durci).

Tubes en acier durci

Chez Ferros Planes, nous usinons des tubes qui sont ensuite soumis à des processus de durcissement, comme par exemple, des tubes destinés à l’industrie automobile, aérospatiale, pétrolière et gazière, et à la fabrication de machinerie. Nous fabriquons des tubes selon les exigences souhaitées, nous les usinons pour atteindre les dimensions et tolérances désirées et ensuite ils passent par des traitements thermiques et des finitions pour leur utilisation, comme la rectification ou le polissage.