Types d’acier au carbone : caractéristiques, applications et procédés de fabrication

Les traitements thermiques de l’acier trouvent leur origine dans les pratiques des premiers forgerons et artisans métallurgistes de l’antiquité. Déjà en 1500 av. J.-C., les civilisations du Moyen-Orient et d’Asie avaient découvert que chauffer et refroidir le métal de façon contrôlée pouvait transformer significativement ses propriétés. Ce qui a commencé comme un processus intuitif et presque mystique a évolué pour devenir une discipline scientifique fondamentale pour l’industrie métallurgique moderne.

Ces procédures, basées sur des cycles précis de chauffage et de refroidissement de l’acier, permettent de modifier ses propriétés mécaniques sans altérer sa composition chimique. Pendant des siècles, la connaissance de ces processus a été transmise comme secret commercial entre les maîtres forgerons, qui ont réussi à produire des armes et des outils de qualité exceptionnelle sans comprendre les principes métallurgiques sous-jacents.

Ce n’est qu’à la fin du XIXe siècle, avec l’avènement de la métallographie et l’étude scientifique des structures métalliques, qu’on a commencé à comprendre les mécanismes qui régissent les changements produits par les traitements thermiques. Aujourd’hui, des processus comme le recuit, la normalisation, la trempe, le revenu, la cémentation et la nitruration sont essentiels pour la fabrication de composants à haute performance dans des secteurs aussi divers que l’automobile, l’aérospatial, la construction et la production d’outils industriels.

Dans cet article, nous expliquons les principaux types de traitements thermiques, leur impact sur la structure et les propriétés de l’acier, et leurs applications les plus pertinentes dans l’industrie contemporaine.

1. Recuit

Le recuit consiste à chauffer l’acier jusqu’à sa température d’austénitisation (normalement entre 750 et 950 °C, selon le type d’acier) puis à le refroidir lentement, souvent dans un four. Ce refroidissement lent permet la formation de microstructures d’équilibre.

Détails du processus : Le processus de recuit commence par chauffer l’acier au-dessus de sa température critique pour former de l’austénite. Ensuite, le matériau est maintenu à cette température pendant un temps suffisant pour garantir l’homogénéisation complète de la microstructure. Après cette période de maintien, l’acier est refroidi très lentement, généralement à une vitesse de 20-30 °C par heure, souvent à l’intérieur d’un four éteint. Ce refroidissement méthodique permet la formation de phases d’équilibre et atteint la douceur maximale dans le matériau.

Avantages :

• Réduit la dureté et augmente la ductilité.
• Élimine les tensions internes du traitement antérieur.
• Améliore l’usinabilité et la formabilité à froid.
• Affine la structure du grain.
• Augmente l’homogénéité de la microstructure.
• Prépare l’acier pour des opérations ultérieures.

Applications :

• Utilisé pour les aciers qui seront soumis à un usinage intensif.
• Détente après soudage.
• Préparation pour les opérations de formage à froid.
• Adoucissement d’aciers à haute teneur en carbone.

2. Normalisation

La normalisation consiste à chauffer l’acier à la température d’austénitisation puis à le laisser refroidir à l’air. La vitesse de refroidissement est plus rapide que le recuit, mais plus lente que la trempe.

Détails du processus : La normalisation consiste à chauffer l’acier à environ 30-50 °C au-dessus de sa température critique pour garantir l’austénitisation complète de tout le matériau. L’acier est maintenu à cette température pendant une période relativement brève, juste le temps suffisant pour atteindre l’homogénéisation microstructurale. Après la période de maintien, l’acier est retiré du four et laissé refroidir naturellement à l’air calme. Ce refroidissement à l’air produit une vitesse de refroidissement intermédiaire entre le refroidissement lent du recuit et le refroidissement rapide de la trempe, ce qui donne comme résultat une structure de grain affinée.

Avantages :

• Crée une structure plus uniforme que le matériau fondu ou laminé.
• Affine la taille du grain.
• Améliore l’usinabilité.
• Améliore les propriétés mécaniques (équilibre entre résistance et ténacité).
• Élimine les irrégularités structurelles du traitement antérieur.
• Plus économique que le recuit complet.

Applications :

• Préparation pour des traitements thermiques ultérieurs.
• Amélioration de la structure des forges et des pièces coulées.
• Amélioration de l’usinabilité dans les aciers à carbone moyen.
• Création de structures uniformes dans les composants soudés.

3. Trempe/Durcissement

La trempe consiste à chauffer l’acier jusqu’à sa température d’austénitisation puis à le refroidir rapidement (dans l’eau, l’huile ou l’air, selon le type d’acier). Ce refroidissement rapide empêche la formation de phases d’équilibre et, à la place, forme de la martensite.

Détails du processus : Le processus de refroidissement commence par chauffer l’acier au-dessus de sa température critique, assurant la transformation complète en austénite dans tout le matériau. Après un bref temps de maintien à cette température pour atteindre l’homogénéisation, l’acier est refroidi rapidement par immersion dans un milieu de refroidissement comme l’eau, la saumure, l’huile, des solutions polymériques ou, pour les aciers hautement alliés, parfois seulement l’air. Le facteur clé dans ce processus est que la vitesse de refroidissement doit dépasser la vitesse de refroidissement critique de l’acier pour supprimer la formation de ferrite, perlite ou bainite et, à la place, former la phase dure de martensite. La sélection du milieu de refroidissement dépend de la composition de l’acier, de l’épaisseur de la section et du profil de dureté désiré.

Bénéfices :

• Augmente significativement la dureté et la résistance.
• Crée des surfaces résistantes à l’usure.
• Pose les bases pour les opérations de revenu ultérieures.
• Peut créer des surfaces durcies en boîte quand combiné avec la cémentation.

Défis :

• Peut causer distorsion et fissuration dues au choc thermique.
• Augmente la fragilité.
• Introduit de hautes tensions internes.
• Requiert un contrôle soigneux du milieu de refroidissement et de l’agitation.

Applications :

• Outils de coupe.
• Composants résistants à l’usure.
• Composants structurels qui requièrent une haute résistance.
• Ressorts et composants de roulements.

4. Revenu

Le revenu est normalement réalisé après la trempe. Il consiste à chauffer l’acier durci à une température inférieure au point d’austénitisation (entre 150 et 650 °C) puis à le refroidir. Cela réduit la fragilité et les tensions internes.

Détails du processus : Le revenu consiste à chauffer soigneusement l’acier préalablement trempé à une température spécifique en dessous de son point critique de transformation. La température exacte est sélectionnée en fonction des propriétés finales désirées, et les températures plus élevées fournissent généralement une plus grande ténacité aux dépens de la dureté. L’acier est maintenu à la température sélectionnée pendant une période de temps spécifique, généralement une heure par pouce d’épaisseur, ce qui permet la décomposition contrôlée de la martensite et la précipitation de carbures. Après la période de maintien, l’acier est normalement refroidi à l’air calme, bien que le refroidissement à l’huile puisse être utilisé pour certaines applications spécifiques qui requièrent des propriétés particulières.

Types de revenu :

• Basse température (150-250 °C) : Maintient une haute dureté tout en réduisant légèrement les tensions internes.
• Température moyenne (350-450 °C) : Équilibre la dureté et la ténacité.
• Haute température (500-650 °C) : Maximise la ténacité aux dépens d’une certaine dureté.

Bénéfices :

• Réduit la fragilité tout en maintenant une dureté acceptable.
• Soulage les tensions internes.
• Améliore la ténacité et la ductilité.
• Stabilise les dimensions.
• Améliore la résistance à l’impact.
• Améliore les propriétés de fatigue.

Applications :

• Pratiquement tous les aciers trempés reçoivent un type de revenu.
• Outils qui requièrent des combinaisons spécifiques de dureté/résistance.
• Aciers pour ressorts.
• Composants structurels.

5. Cémentation

La cémentation est un traitement thermochimique dans lequel l’acier est exposé à un environnement riche en carbone à haute température. Elle augmente la teneur en carbone à la surface, ce qui permet de la durcir par trempe, tandis que le noyau reste résistant.

Détails du processus : Le processus de cémentation consiste à chauffer de l’acier à faible teneur en carbone dans un environnement riche en carbone, qui peut être sous forme solide, liquide ou gazeuse. L’acier est généralement maintenu à des températures entre 850 et 950 °C, bien dans la région de la phase austénitique, où la diffusion du carbone est rapide. Le matériau est maintenu à cette température pendant une période de temps suffisante pour atteindre la profondeur de couche désirée, qui oscille généralement entre 0,5 et 2,0 mm, selon les exigences de l’application. Après la phase d’enrichissement en carbone, l’acier est généralement refroidi directement depuis la température de cémentation pour durcir la surface, maintenant à haute teneur en carbone, tout en conservant un noyau résistant à faible teneur en carbone. Cette étape de refroidissement est souvent suivie d’un revenu pour réduire la fragilité et maintenir une dureté de surface acceptable.

Méthodes de cémentation :

• Cémentation en caisse : Pièces d’acier emballées avec des matériaux riches en carbone.
• Cémentation gazeuse : Utilisation de gaz contenant du carbone, comme le méthane ou le propane.
• Cémentation sous vide : Réalisée dans des fours à vide avec un contrôle précis du potentiel de carbone.
• Cémentation liquide : Utilisation de bains de sels fondus contenant des composés de cyanure.

Avantages :

• Crée une surface résistante à l’usure avec un noyau dur.
• Améliore la résistance à la fatigue.
• Augmente la capacité de charge.
• Fournit une bonne résistance à l’impact.
• Prolonge la durée de vie des composants.

Applications :

• Engrenages.
• Arbres à cames.
• Roulements.
• Composants automobiles.
• Pièces de machinerie sujettes à l’usure.

6. Nitruration

Similaire à la cémentation, mais on utilise de l’azote au lieu du carbone. Elle fournit une surface très dure et résistante à l’usure sans nécessité d’un refroidissement postérieur.

Détails du processus : La nitruration est réalisée en chauffant l’acier à des températures modérées de 500-550 °C, qui sont en dessous de la température de transformation où se formerait l’austénite. Ensuite, l’acier est exposé à un environnement riche en azote, qui peut être sous forme de gaz ammoniac, de bains de sel riches en azote ou de plasma d’azote. Le processus nécessite des temps de traitement relativement longs, qui oscillent généralement entre 20 et 60 heures, selon la profondeur de couche désirée et la composition spécifique de l’acier. Un des principaux avantages de la nitruration est qu’il n’est pas nécessaire de tremper après le traitement, car la température du processus est en dessous du point de transformation, ce qui donne comme résultat une distorsion minimale et une excellente stabilité dimensionnelle.

Méthodes de nitruration :

• Nitruration gazeuse : avec du gaz ammoniac.
• Nitruration en bain de sels : avec des bains de sels contenant du cyanure.
• Nitruration par plasma : Utilisation de plasma d’azote dans une chambre à vide.

Avantages :

• Dureté de surface extrêmement élevée (jusqu’à 1100 HV).
• Excellente résistance à l’usure.
• Meilleure résistance à la fatigue.
• Résistance à la corrosion.
• Distorsion minimale due aux basses températures de traitement.
• Pas nécessaire de tremper.

Applications :

• Composants de précision qui requièrent une distorsion minimale.
• Moules et matrices.
• Composants de moteurs.
• Pièces aérospatiales.
• Outils et instruments de coupe.

7. Traitement cryogénique

Consiste à refroidir l’acier à des températures extrêmement basses (normalement dans l’azote liquide à -196 °C) pour compléter la transformation de l’austénite résiduelle.

Détails du processus : Le traitement cryogénique consiste à refroidir de l’acier préalablement durci à des températures extrêmement basses, généralement dans la gamme de -185 °C à -196 °C, souvent en utilisant de l’azote liquide comme milieu de refroidissement. L’acier est maintenu à ces températures cryogéniques pendant des périodes prolongées, généralement de 24 à 48 heures, ce qui permet la transformation complète de toute austénite résiduelle en martensite. Après l’étape de congélation profonde, le matériau est soumis à un réchauffement lent et contrôlé à température ambiante pour éviter le choc thermique. Le traitement cryogénique est généralement suivi d’un cycle de revenu pour soulager les tensions et optimiser la microstructure, ce qui donne comme résultat une transformation martensitique plus complète et stable que celle qui peut être obtenue avec le refroidissement rapide conventionnel seul.

Bénéfices :

• Complète la transformation martensitique.
• Réduit l’austénite résiduelle.
• Améliore la stabilité dimensionnelle.
• Améliore la résistance à l’usure.
• Augmente l’uniformité de la dureté.
• Améliore la conductivité thermique.
• Peut prolonger la durée de vie entre 200 et 400 %.

Applications :

• Outils de mesure de précision.
• Outils de coupe à haute performance.
• Composants de moteurs de course.
• Instruments chirurgicaux.
• Composants aérospatiaux.
• Roulements.

Ces traitements sont essentiels dans l’industrie métallurgique car ils permettent d’adapter les propriétés de l’acier à des applications spécifiques, des outils de coupe aux composants à haute résistance pour les industries automobile ou aérospatiale.