Appliquer les traitements thermiques et les procédés métallurgiques

Introduction au traitement thermique des aciers

Le traitement thermique est l'ensemble des opérations de chauffage et de refroidissement contrôlés appliquées à un métal à l'état solide, dans le but de modifier ses propriétés mécaniques, physiques ou chimiques. Pour le tool and die maker (fabricant d'outillages), la maîtrise de ces procédés est essentielle : les matrices, poinçons, outils de coupe et jauges doivent présenter une dureté, une ténacité et une résistance à l'usure précises selon leur fonction.

Le diagramme fer-carbone (Fe-C) est la base fondamentale de toute compréhension des traitements thermiques. Il illustre les transformations de phases en fonction de la température et de la teneur en carbone (0 à 6,67 % C). Les points critiques importants sont :

A₁ (723 °C) : température eutectoïde où la transformation perlite ↔ austénite se produit.

A₃ : limite de solubilité de la ferrite dans l'austénite pour les aciers hypoeutectoïdes (< 0,8 % C).

Acm : limite de solubilité de la cémentite dans l'austénite pour les aciers hypereutectoïdes (> 0,8 % C).

Les notations Ac₁, Ac₃, Acm désignent les températures critiques au chauffage, tandis que Ar₁, Ar₃, Arm désignent celles au refroidissement. Cette distinction est cruciale : l'hystérésis thermique fait que les transformations au refroidissement se produisent à des températures inférieures à celles du chauffage.

Les quatre opérations de base

1. Le recuit (annealing)

Le recuit consiste à chauffer l'acier à une température supérieure à son point critique (généralement 30 à 50 °C au-dessus de A₃ ou A₁), à le maintenir à cette température (temps de maintien), puis à le refroidir très lentement (dans le four éteint ou dans un milieu isolant comme la chaux, le vermiculite ou la cendre).

Objectifs :

Réduire la dureté et améliorer l'usinabilité.

Éliminer les contraintes internes résiduelles.

Affiner le grain.

Préparer la structure pour un traitement thermique ultérieur (ex. : trempe).

Types de recuit :

Type	Température	Refroidissement	Application
Recuit complet	A₃ + 30–50 °C (hypoeutectoïde) ou A₁ + 30–50 °C (hypereutectoïde)	Très lent au four	Aciers de décolletage, pièces forgées
Recuit de normalisation	A₃ + 50–60 °C	Refroidissement à l'air calme	Affinage du grain, homogénéisation
Recuit de détente (subcritique)	550–650 °C (sous A₁)	Lent, puis air	Élimination des contraintes après usinage
Recuit d'adoucissement (sphéroïdisation)	Juste sous A₁ (700–720 °C)	Très lent	Aciers à outils hypereutectoïdes

Calcul du temps de maintien : règle approximative de 1 heure par 25 mm (1 pouce) d'épaisseur maximale de la pièce, plus 1 heure supplémentaire. Pour les aciers alliés, ce temps doit être augmenté de 25 à 50 %.

2. La trempe (quenching)

La trempe consiste à chauffer l'acier à la température d'austénitisation (généralement A₃ + 30 à 50 °C), à le maintenir à cette température, puis à le refroidir rapidement dans un milieu approprié (eau, huile, air forcé, bain de sel) pour obtenir une structure martensitique dure.

Températures d'austénitisation typiques :

Acier à 0,45 % C : 820–850 °C.

Acier à 0,80 % C (eutectoïde) : 760–790 °C.

Acier à 1,20 % C (à outils) : 770–800 °C.

Acier allié (ex. : AISI O1) : 790–815 °C.

Milieux de trempe et leur sévérité :

Milieu	Pouvoir de refroidissement (facteur H)	Applications
Saumure (10 % NaCl)	2,0 – 5,0	Aciers au carbone simples
Eau	1,0 – 1,5	Aciers au carbone, formes simples
Huile (trempe)	0,3 – 0,6	Aciers alliés, formes complexes
Air forcé	0,1 – 0,2	Aciers fortement alliés (H13, D2)
Bain de sel	0,5 – 1,0	Trempe étagée (martempering)

Risques de la trempe :

Déformation : due aux contraintes thermiques et de transformation.

Fissuration : causée par un refroidissement trop brutal, des angles vifs, des sections variables.

Décarburation : perte de carbone en surface à haute température en atmosphère oxydante.

Précautions : préchauffage à 500–650 °C pour les aciers alliés, protection par atmosphère contrôlée ou papier inox, immersion avec agitation, orientation correcte de la pièce (les sections minces entrent en premier).

3. Le revenu (tempering)

Le revenu est un traitement thermique obligatoire après la trempe. Il consiste à réchauffer l'acier trempé à une température inférieure à A₁ (150–650 °C), à le maintenir à cette température, puis à le refroidir à l'air calme.

Objectifs :

Réduire la fragilité de la martensite.

Relaxer les contraintes internes.

Ajuster la dureté et la ténacité selon l'usage.

Effet de la température de revenu sur la dureté (acier à 0,80 % C trempé) :

Température de revenu (°C)	Dureté Rockwell C (HRC) approximative
150 – 200	60 – 63
300 – 350	50 – 55
450 – 500	40 – 45
550 – 600	30 – 35
650	25 – 30

Fragilité de revenu : certains aciers alliés (Cr-Ni, Cr-Mn) présentent une fragilité accrue lorsqu'ils sont refroidis lentement à travers la zone 375–575 °C après revenu. La solution est de refroidir rapidement (à l'huile ou à l'eau) après le revenu dans cette plage.

Règle pratique : le temps de maintien au revenu est de 1 heure par 25 mm d'épaisseur, avec un minimum de 1 heure.

4. La normalisation

La normalisation consiste à chauffer l'acier à A₃ + 50–60 °C, à le maintenir, puis à le refroidir à l'air calme. Elle affine le grain et homogénéise la structure. Elle est souvent appliquée avant l'usinage ou avant la trempe pour les pièces forgées ou laminées.

Les traitements thermochimiques

La cémentation (carburisation)

La cémentation est un procédé qui introduit du carbone dans la couche superficielle d'une pièce en acier doux ou faiblement allié (0,10–0,20 % C), afin d'obtenir une surface dure (58–62 HRC) et un cœur résistant et tenace.

Méthodes :

Cémentation solide : pièces enfouies dans un composé carboné (charbon de bois + carbonates) à 900–950 °C pendant 4 à 8 heures.

Cémentation gazeuse : atmosphère riche en méthane (CH₄) ou propane (C₃H₈) à 900–950 °C.

Cémentation liquide : bain de sels cyanurés à 850–950 °C.

Profondeur de cémentation : dépend du temps et de la température. Règle approximative : profondeur (mm) ≈ 0,025 × √(temps en heures) à 925 °C. Par exemple, 4 heures donnent environ 0,5 mm.

Après cémentation : la pièce est trempée (directement ou après refroidissement et réchauffage) puis revenue à basse température (150–200 °C).

La nitruration

La nitruration introduit de l'azote dans la surface de l'acier à une température de 500–580 °C, sans transformation austénitique. Elle produit une couche très dure (68–72 HRC) avec une excellente résistance à l'usure et à la fatigue, mais une faible profondeur (0,1–0,5 mm).

Aciers adaptés : aciers spéciaux contenant de l'aluminium, du chrome, du molybdène ou du vanadium (ex. : Nitralloy 135M, H13).

Avantages : pas de déformation (basse température), pas de traitement ultérieur requis, résistance à la corrosion améliorée.

La carbonitruration et la nitrocarburation

La carbonitruration combine carbone et azote à 750–900 °C, produisant une couche dure avec une trempabilité accrue. La nitrocarburation (ou carbonitruration ferritique) se fait à 570–590 °C et produit une couche mince (10–20 μm) très résistante à l'usure.

Les traitements de surface

Le traitement cryogénique

Le traitement cryogénique (refroidissement à -80 °C ou -196 °C dans l'azote liquide) est appliqué après la trempe et avant le revenu pour convertir l'austénite résiduelle en martensite. Il améliore la stabilité dimensionnelle et la durée de vie des outils de coupe.

La nitruration ionique (plasma)

Réalisée sous vide avec un plasma d'azote à 350–550 °C, elle permet un contrôle précis de l'épaisseur de la couche et évite la couche blanche fragile. Utilisée pour les matrices d'extrusion et les moules d'injection.

Les essais de dureté

Le contrôle de dureté est essentiel après tout traitement thermique. Les échelles les plus courantes :

Échelle	Pénétrateur	Charge (kgf)	Application
Brinell (HB)	Bille de 10 mm	3000	Pièces brutes, fonte, acier doux
Rockwell C (HRC)	Cône diamant 120°	150	Aciers trempés et revenus
Rockwell B (HRB)	Bille de 1/16 po	100	Aciers doux, laiton
Vickers (HV)	Pyramide diamant	1–120	Couches minces, surfaces cémentées
Shore (HS)	Rebond	—	Pièces massives, rouleaux

Règle de conversion approximative : HRC ≈ (HB/10) – 15 pour les aciers dans la plage 200–400 HB. Ces conversions sont approximatives et ne doivent pas remplacer un essai direct.

Précautions lors de l'essai Rockwell : surface propre et plane, épaisseur minimale de 10 fois la profondeur de pénétration, distance entre empreintes d'au moins 3 diamètres d'empreinte, support rigide et propre.

Les aciers à outils : classification et traitement

Les aciers à outils sont classés selon le système AISI/SAE :

Groupe	Désignation	Caractéristiques	Trempe	Revenu typique
Trempe à l'eau	W1, W2	Carbone 0,60–1,40 %	Eau ou saumure	150–200 °C
Trempe à l'huile	O1, O2, O6	Carbone + Mn, Cr, W	Huile	150–250 °C
Résistant aux chocs	S1, S5, S7	Carbone + Si, Cr, Mo	Huile ou air	200–400 °C
Travail à froid (moyen)	A2, A6, A8	Carbone + Cr, Mo, V	Air	200–300 °C
Travail à froid (élevé)	D2, D3, D6	Carbone 1,5–2,3 % + Cr 12 %	Air ou huile	200–500 °C
Travail à chaud	H10–H19, H21–H26	Cr, W, Mo, V	Air forcé	550–650 °C
Coupe rapide	T1, M2, M42	W, Mo, Cr, V, Co	Air, huile, bain de sel	540–580 °C (double revenu)

Exemple de cycle complet pour un acier O1 (trempe à l'huile) :

76.Préchauffage à 650 °C (1 heure).

77.Austénitisation à 790–815 °C (30 minutes après atteinte de la température).

78.Trempe à l'huile jusqu'à 50–70 °C (retirer avant refroidissement complet).

79.Revenu immédiat à 150–250 °C selon la dureté désirée (1 heure minimum).

80.Refroidissement à l'air calme.

Double revenu : obligatoire pour les aciers à coupe rapide (M2, T1) et recommandé pour les aciers à travail à chaud (H13). Le premier revenu transforme l'austénite résiduelle en martensite ; le second revenu trempe cette nouvelle martensite.

Les défauts de traitement thermique et leur prévention

Défaut	Cause	Prévention
Déformation excessive	Chauffage inégal, trempe brutale, géométrie défavorable	Préchauffage, trempe étagée, supports adaptés
Fissures de trempe	Refroidissement trop rapide, angles vifs, carbures grossiers	Arrondir les angles, trempe à l'huile, normalisation préalable
Décarburation	Atmosphère oxydante, température excessive	Atmosphère contrôlée, papier inox, bain de sel neutre
Dureté insuffisante	Température d'austénitisation trop basse, temps de maintien court, milieu de trempe inadéquat	Vérifier le thermocouple, augmenter la sévérité du milieu
Grain grossier	Température trop élevée, maintien trop long	Contrôle strict de la température, normalisation
Fragilité de revenu	Refroidissement lent dans la zone critique 375–575 °C	Refroidissement rapide après revenu

Les fours et équipements

Les fours utilisés en outillage sont classés selon leur source d'énergie et leur mode de fonctionnement :

Four à chambre (batch) : chauffage par résistance électrique ou gaz, atmosphère air ou contrôlée.

Four à bain de sel : bain de sels fondus (chlorures, nitrates) offrant un excellent transfert thermique et une protection contre l'oxydation.

Four à vide : chauffage sous vide (10⁻² à 10⁻⁴ mbar) avec refroidissement par gaz sous pression (azote, argon). Idéal pour les aciers à outils à haute teneur en alliage.

Four à atmosphère contrôlée : atmosphère endothermique ou exothermique pour éviter la décarburation et l'oxydation.

Contrôle de la température : les thermocouples (type K : chromel-alumel, type S : platine-rhodium) doivent être calibrés régulièrement. La tolérance typique est de ±5 °C pour les traitements d'outillage.

Calculs pratiques et règles d'or

Temps de chauffe : règle de 1 minute par millimètre d'épaisseur pour les aciers au carbone, 2 minutes par millimètre pour les aciers alliés, à partir de la température de préchauffage.

Volume de dilution pour bain de sel : pour ajuster la température d'un bain, ajouter du sel froid par petites quantités (jamais plus de 5 % du volume total à la fois).

Profondeur de cémentation : d (mm) = K × √t, où K ≈ 0,5 à 925 °C, 0,4 à 900 °C, 0,3 à 875 °C, et t en heures.

Dureté après revenu : la dureté diminue approximativement de 1 HRC par 10 °C d'augmentation de la température de revenu dans la plage 200–400 °C pour les aciers au carbone.

Normes canadiennes applicables

Bien que le traitement thermique soit principalement régi par des spécifications internes et des normes ASTM/SAE, le fabricant d'outillages doit connaître les normes canadiennes suivantes :

CSA W47.1 : Règles de certification du soudage par fusion des aciers (pertinent si des réparations par soudure sont effectuées sur les outillages avant ou après traitement).

CSA B149.1 : Code sur le gaz naturel et le propane (applicable aux fours à gaz).

CSA C22.1 (Code canadien de l'électricité, Chapitre V) : applicable à l'installation électrique des fours à résistance. La règle 8-200 concerne le calcul de la charge électrique des circuits.

CSA Z432 : Protection des machines (pertinente pour la sécurité autour des fours et équipements de manutention).

Le respect des règles de santé et sécurité au travail (SIMDUT pour les sels de trempe et les atmosphères) est également obligatoire.

Pièges à éviter

104.Confondre Ac et Ar : les températures de transformation au chauffage sont supérieures à celles au refroidissement. Un acier chauffé à 723 °C n'est pas complètement austénitisé.

105.Tremper un acier hypereutectoïde à A₃ au lieu de A₁ + 30–50 °C : cela provoque un grossissement du grain et une fragilité excessive.

106.Oublier le revenu immédiat après trempe : attendre que la pièce refroidisse complètement avant de faire le revenu augmente le risque de fissuration.

107.Utiliser l'eau pour un acier allié : la sévérité excessive provoque des fissures. Utiliser l'huile ou l'air selon la trempabilité.

108.Négliger la décarburation : une surface décarburée donne une dureté faussement basse à l'essai Rockwell.

109.Confondre cémentation et nitruration : la cémentation ajoute du carbone et nécessite une trempe ; la nitruration ajoute de l'azote sans trempe.

110.Ignorer l'austénite résiduelle : dans les aciers à haute teneur en carbone et en alliage, un traitement cryogénique ou un double revenu est nécessaire.

111.Prendre une conversion de dureté comme une valeur exacte : les tables de conversion sont approximatives et dépendent de l'alliage.

112.Chauffer trop rapidement un acier à outils : le choc thermique provoque des fissures. Toujours préchauffer à 500–650 °C.

113.Ne pas tenir compte de l'épaisseur de la pièce : les sections épaisses nécessitent des temps de maintien plus longs et des milieux de trempe plus sévères.

Résumé

Le traitement thermique repose sur le diagramme Fe-C et les températures critiques A₁, A₃, Acm.

Les quatre opérations de base sont : recuit (refroidissement lent), trempe (refroidissement rapide), revenu (réchauffage sous A₁), normalisation (refroidissement à l'air).

La trempe produit de la martensite dure mais fragile ; le revenu est toujours obligatoire après la trempe.

Les traitements thermochimiques (cémentation, nitruration) modifient la composition de surface pour obtenir une dureté élevée avec un cœur tenace.

Les aciers à outils sont classés en groupes (W, O, S, A, D, H, T, M) avec des cycles de traitement spécifiques.

Les essais de dureté (Rockwell, Brinell, Vickers) sont les principaux moyens de contrôle ; les conversions entre échelles sont approximatives.

Les défauts courants (déformation, fissures, décarburation) sont évitables par un contrôle rigoureux de la température, du temps et du milieu.

Les normes CSA (W47.1, B149.1, C22.1) s'appliquent aux aspects connexes (soudage, gaz, électricité) des installations de traitement thermique.

Pour réussir l'examen : mémorisez les plages de température pour chaque traitement, les milieux de trempe adaptés à chaque type d'acier, et les règles de temps de maintien. Entraînez-vous à lire un cycle de traitement thermique complet et à identifier les erreurs dans une séquence donnée.

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