Présentation du traitement thermique des alliages métalliques

Le traitement thermique peut être défini comme une combinaison d'opérations de chauffage et de refroidissement appliquées à un métal ou un alliage à l'état solide, afin d'obtenir les conditions ou propriétés souhaitées.

Les traitements thermiques peuvent être utilisés pour homogénéiser les alliages de métal coulé afin d'améliorer leur maniabilité à chaud, ramollir les métaux avant et pendant des opérations de traitement à chaud et à froid, ou modifier leur microstructure de façon à obtenir les propriétés mécaniques voulues.

Les traitements thermiques des alliages métalliques sont également utilisés pour modifier la composition chimique superficielle d'un matériau. Ceci s'obtient en diffusant du carbone, de l'azote et d'autres matières gazeuses ou solides dans la surface du composant. Ces procédés sont utilisés pour conférer une dureté superficielle donnée et améliorer la résistance à l'usure, à la corrosion et à la fatigue.

Les paramètres et les procédés qui peuvent affecter la composition et les propriétés matérielles des composants métalliques comprennent les
facteurs suivants :

Type d'alliage - Chauffage - Refroidissement - Entrée des pièces - Temps - Atmosphère - Placage superficiel - Diffusion superficielle

Pour s'assurer qu'un composant métallique quelconque est adapté à sa finalité, il faut parfois lui faire subir une série donnée de traitements de conditionnement et de finition. Les traitements sont effectués de telle façon à s'assurer que la combinaison requise de ces paramètres est soigneusement contrôlée pour obtenir le composant fini voulu.

Le traitement thermique des métaux met en jeu l'augmentation de la température d'un alliage, souvent avec un profil thermique prescrit, jusqu'à une température définie. Le matériau est ensuite maintenu à cette température pendant un certain temps avant d'être refroidi, soit à une vitesse spécifiée ou dans des conditions de trempe rapide jusqu'à une température fixe.

Les traitements sont réalisés dans des fours et des fourneaux où en plus des changements de température, des gaz sont utilisés pour contrôler l'atmosphère du processus. Des atmosphères contrôlées sont utilisées pour réduire les effets de l'oxydation ou pour générer une atmosphère d'enrichissement pour les effets chimiques superficiels sur le composant à traiter.

Les traitements thermiques sont classés en fonction de leur finalité :

Traitements généraux

• Homogénéisation
  Ce traitement est utilisé avant les procédés de travail à chaud et permet d'égaliser les températures dans l'ensemble d'un alliage ou de réduire la microségrégation due à la composition chimique non homogène.
  

• Recuit
  Le recuit couvre une variété de procédés de traitement thermique utilisés pour ramollir les alliages et augmenter leur ductilité en vue de faciliter leur façonnage à froid.
  

• Détente
  Traitements thermiques réalisés pour éliminer les tensions internes à l'intérieur des composants suite à des soudures, coulages ou refroidissements rapides.

Traitements modifiant la structure de phase d’un alliage

• Durcissement
  Les alliages métalliques peuvent tous être durcis par écrouissage mais les aciers en particulier peuvent aussi être durcis par traitement thermique. La capacité à durcir d'un alliage en acier dépend de sa teneur en carbone ou autres composants de l'alliage. Le degré de durcissement augmente avec le pourcentage de carbone de l'alliage.
  Le processus de durcissement s'effectue en chauffant un alliage à une température prédéfinie puis en le trempant à l'huile, l'eau, l'air ou un trempant polymère spécial. La température et les paramètres de trempe dépendent du type d'acier traité.

• Revenu
  Le revenu suit généralement le processus de durcissement et permet d'éliminer dans la mesure du possible la fragilité de l'alliage tout en conservant la dureté des composants.

Pour comprendre le succès potentiel de ces procédés et les températures auxquelles les traitements doivent être réalisés, il est nécessaire d'examiner le diagramme de phases de l'alliage en question.

• Trempe par induction
  Le chauffage rapide à l'aide d'une bobine d'induction immédiatement suivi d'une trempe dans un jet de trempe peut également durcir les aciers à forte et moyenne teneur en carbone. Ce procédé peut aussi être exécuté avec des techniques de projection thermique à la flamme ou de chauffage au laser.

Traitements modifiant la chimie superficielle d’un alliage

• Cémentation, nitruration, carbonitruration et nitrocarburation
  Ces procédés permettent de durcir et de renforcer les couches superficielles de l’alliage en plaçant le composant dans une atmosphère gazeuse enrichie en carbone ou en azote alors que le matériau est progressivement réchauffé avant la trempe. On peut obtenir des propriétés similaires en utilisant d’autres composants moléculaires superficiels avec des procédés tels que l’implantation d’ions - le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), le dépôt physique en phase vapeur (PVD), la boruration et l’aluminisation.

Autres procédés spécialisés

• Traitement de consolidation isostatique (HIPping)
  Ce procédé est utilisé pour densifier les pièces moulées et les composants pré-frittés, et pour le soudage des alliages par diffusion. Ce procédé utilise généralement de très hautes températures et pressions dans une chambre spéciale.

• Frittage
  De nombreux produits aux formes complexes sont fabriqués à partir de matériaux en poudre qui sont pressés ou moulés à la forme du composant. Le frittage se déroule dans un environnement à atmosphère contrôlée ; il est utilisé pour renforcer la cohésion des composants en poudre compactée durant un cycle thermique à durée spécifique.