Qu'est-ce que la trempe superficielle de l'acier ? A quoi sert le durcissement superficiel ?

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

L'art du traitement thermique des métaux est connu de l'humanité depuis longtemps. Les artisans impliqués dans la fabrication d'outils, et surtout d'armes, l'ont maîtrisée par eux-mêmes, ou l'ont étudiée pendant de nombreuses années avec d'autres spécialistes plus expérimentés. Les secrets étaient gardés secrets, ce qui, bien sûr, ralentissait la diffusion de la technologie, mais augmentait la compétitivité d'un fabricant particulier de produits dans un but précis. L'une des techniques des armuriers médiévaux était le durcissement superficiel, qui confère aux tranchants et aux pointes des épées et des sabres une dureté particulière, combinée à la souplesse de la lame. Aujourd'hui, de telles propriétés ne surprennent plus personne, les technologies sont devenues massives et généralisées.

Pourquoi une personne ordinaire saurait-elle tout cela ?

Cet article destiné aux spécialistes de la métallurgie thermique ressemblera très probablement à un ensemble de platitudes et de faits bien connus. De plus, ils peuvent trouver des inexactitudes dans la terminologie. Les informations présentées ne leur sont pas destinées, elles s'adressent à des personnes éloignées de la métallurgie, amateurs,ceux qui s'intéressent à la différence de résistance entre une table ordinaire ou un couteau pliant et une bonne lame, le durcissement superficiel du durcissement volumique et des problèmes similaires. Lors de l'achat de l'un ou l'autre article nécessaire dans le ménage, le consommateur est confronté à une différence de prix importante. Le vendeur ne peut pas toujours expliquer de manière qualifiée et compréhensible pourquoi un outil (une clé, par exemple) est beaucoup plus cher qu'un autre présentant une similitude externe générale. Il essaiera très probablement de «se saupoudrer la cervelle» avec des concepts et des termes incompréhensibles pour le profane moyen. Traduites en langage courant, ces explications signifieront que la clé à molette ne se cassera pas ou ne durera pas plus longtemps, et l'affûtage sera nécessaire beaucoup moins souvent (si le client souhaite acheter un couteau). "Durcissement de surface !" - le vendeur indiquera mystérieusement la raison en roulant des yeux avec un plaisir imaginaire. Qu'est-ce que c'est ?

Propriétés opposées dans un seul produit

Comme il ressort clairement de la phrase, dans ce cas, seule la fine couche externe du produit est soumise à un traitement thermique. Le fait que l'acier nécessite un durcissement est vaguement deviné par tout le monde, même ceux qui ne savent pas du tout ce que c'est. C'est en cela qu'il diffère du "morceau de fer" habituel, mou et cassant. Mais pourquoi est-ce le superficiel qui jouit d'un tel honneur ? Le durcissement est utilisé pour modifier les propriétés du métal, et non pour une sorte d'amélioration, comme on le déclare souvent. La qualité, utile dans certains cas, devient nuisible dans d'autres. La lime est dure, car il leur est facile de traiter le fer, l'aluminium ou le bronze, mais si vous essayez de la plierou frappez-le avec un marteau, il se fissurera. Il en va de même pour la lame de scie à métaux, qui se casse souvent au mauvais angle de coupe. Afin de conférer une dureté combinée à une flexibilité ou une ductilité, un durcissement superficiel est appliqué. Après cela, les propriétés du produit peuvent combiner des qualités, parfois opposées, caractéristiques de différentes structures cristallines. Maintenant, nous devons nous plonger dans certains détails de la science des matériaux.

Les idées les plus simples sur le polymorphisme des métaux

Un même métal peut, selon la forme du réseau cristallin, avoir des propriétés physiques différentes (dureté, viscosité, ductilité, flexibilité, élasticité, etc.) Cette capacité à modifier les paramètres mécaniques est appelée polymorphisme. Il y a longtemps, lors de la fabrication d'armes primitives, les gens ont remarqué que l'une ou l'autre épée ou couperet s'avérait plus efficace, elle conservait son tranchant plus longtemps et ne se cassait pas. Bien sûr, nos ancêtres n'étaient pas familiers avec les structures moléculaires du métal, ils sont venus à tout de manière intuitive et empirique. Ainsi, empiriquement, ils ont découvert que si la pointe est chauffée, sa température dépend des nuances de la lueur. Avec un refroidissement rapide, quelque chose change dans le métal, il devient soit plus dur, soit plus flexible. S'il est réchauffé, il redevient le même, et parfois même pire. À cette époque, des idées assez précises se sont formées sur ce que devrait être, par exemple, un couteau de chasse idéal. Le durcissement superficiel était également utilisé à l'époque, mais plus souventle soi-disant local a été utilisé, c'est-à-dire celui dans lequel la pointe était solide, le milieu de la lame était flexible et la partie de la lame adjacente au manche était en plastique (laissez-la se plier un peu, mais pas casser).

Ce qui se passe à l'intérieur

Sans entrer dans des détails particuliers, il convient de noter que la structure de l'acier trempé est de trois types principaux: martensitique, troostite et sorbitique. Les caractéristiques mécaniques dépendent du rapport de ces formations cristallines. Dans ce cas, peu importe lequel d'entre eux et comment affecte la dureté. Le résultat dépend de la température du métal et de la rapidité avec laquelle il refroidit. Ainsi, le durcissement superficiel peut se produire avec une augmentation de la température de la couche supérieure et un refroidissement ultérieur, soit à la suite d'un transfert de chaleur vers l'environnement extérieur (liquides, le plus souvent de l'huile, de l'eau et de la saumure, de l'air ou d'autres agents), soit en raison d'un à sa fuite partielle dans le produit. Dans ce cas, des transformations polymorphes se produisent en couches, en fonction du degré d'atteinte de la température critique, ce qui affecte la formation d'une nouvelle structure cristalline.

En conséquence, il y a un changement dans les zones suivantes:

- Partie supérieure trempée.

- Intermédiaire, partiellement durci. On l'appelle aussi la zone affectée par la chaleur.

- Zone de dureté réduite.

- Intérieur non modifié.

Méthodes de durcissement de surface

Créer une couche supérieure avecdureté accrue, de plusieurs façons. Les ressorts des wagons de chemin de fer sont simplement tirés avec de petites billes de métal (grenaille) qui créent un joint de surface, tandis que le volume interne du métal reste suffisamment plastique pour résister aux contraintes mécaniques à long terme. La méthode la plus ancienne est considérée comme le chauffage rapide d'un objet sur un feu ouvert, accompagné d'une pulvérisation ou d'un jet. C'est par cette technologie qu'est fabriqué un couteau traditionnel oriental courbe (karambit). Le durcissement superficiel peut également être réalisé au moyen d'un refroidissement intensif. Le plasma gazeux, l'induction, le laser et d'autres procédés sont également connus. Certains d'entre eux méritent qu'on s'y attarde.

HDTV

Au milieu des années 1930, le scientifique soviétique V. P. Vologdin a inventé une méthode pour conférer une structure moléculaire non uniforme donnée à de grandes pièces à l'aide de courants à haute fréquence. L'ingénierie mécanique se développe rapidement, l'industrie a besoin de technologies qui assurent une production de masse sans sacrifier la qualité. Le durcissement superficiel de la TVHD est basé sur le phénomène d'induction. La particularité de la méthode réside dans la dépendance de l'épaisseur de la couche chauffée à la fréquence et à l'amplitude du courant dans la boucle rayonnante. Dans ce cas, le résultat est prévisible avec un degré de probabilité élevé, par conséquent, le contrôle de la qualité est grandement simplifié. De plus, le procédé est applicable au traitement de produits et d'assemblages globaux, tels que des vilebrequins et d'autres objets volumineux pouvant être déplacés le long de l'inducteur, de manière séquentielle.exposant toute la longueur. Avec cette technologie, il est difficile de choisir les paramètres pour traiter des objets petits et plats, comme un couteau. La trempe superficielle avec des courants à haute fréquence s'applique à des produits relativement volumineux, dont la résistance et la résistance à l'usure dépendent des propriétés mécaniques de la couche supérieure.

Caractéristiques de l'utilisation de la méthode HDTV

La méthode a été développée dans les conditions de développement rapide de l'industrie de la construction mécanique, la principale pour le potentiel de défense de l'URSS, qui s'est manifestée dans les spécificités de son application. Les pièces les plus importantes des tracteurs, des chars, des automobiles ou des avions ne sont pas assez grandes pour être placées dans le châssis d'un inducteur compact, il était trop coûteux de fabriquer des équipements pour chacun d'eux, et s'il était fait en fonction des plus grandes dimensions, puis les coûts énergétiques sont devenus énormes. Cependant, la cémentation par induction est appliquée à tous les produits, des plus petits aux plus gros. Par exemple, les engrenages sont exposés à la TVHD de manière séquentielle, tournant dent par dent. Les éléments des vilebrequins et des arbres à cardan sont chauffés en continu et séquentiellement, se déplaçant à l'intérieur du cadre fixe de l'inducteur, tandis que le refroidisseur (pulvérisateur) est inclus dans le processus technologique immédiatement après. A la sortie de la machine, la pièce est immédiatement arrosée d'eau (d'où le nom, consonne de "spray").

Eh bien, les produits avec une petite surface de durcissement sont placés dans l'ensemble de l'inducteur et refroidis de la même manière.

Laser

Cet appareilà notre époque, assez largement utilisé dans divers domaines de l'activité humaine, a trouvé une application dans le travail des métaux. La méthode ne nécessite pas de refroidissement ultérieur, car l'impact du faisceau est de courte durée et affecte la couche supérieure du métal, provoquant les modifications souhaitées de la structure cristalline. "L'affûtage au laser" garantit vraiment qu'il n'est pas nécessaire d'affûter l'outil de coupe pendant une longue période (il est principalement utilisé pour eux), si cette méthode est vraiment utilisée dans sa fabrication. Cependant, il faut garder à l'esprit qu'à notre époque de contrefaçon, l'inscription sur le produit ne correspond pas toujours à la vérité. Parfois, un couteau «papillon» bon marché vendu dans un étal de rue est également décoré d'une telle marque. La trempe superficielle avec un faisceau laser est une technologie coûteuse, elle n'est disponible que pour les principaux fabricants d'outils.

Froid

La base physique de la méthode était la découverte du phénomène d'augmentation de la dureté de l'acier à la suite de la transition de la structure austénitique à martensitique lors de la surgélation. Un tel durcissement de surface est effectué selon la méthode développée par A. P. Gulyaev, N. A. Minkevich et S. S. Shtenberg en URSS. Elle s'applique au carbone (contenant plus de 0,5 % de C) et à l'acier allié à des fins spéciales, tels que ceux produits pour la fabrication de fraises à grande vitesse et d'autres outils spéciaux.

Chauffage électrique

En général, elle est construite sur le même principe que la trempe par induction, à la seule différence que la chauffe est résistive, du fait decourant de passage de grandes valeurs et la résistance de la pièce. La fréquence de la tension d'entrée affecte de la même manière la profondeur de la couche chauffée, et plus elle est élevée, plus elle est fine. La surface de dureté accrue peut aller de fractions de millimètre à plusieurs de ses unités. Cela dépend des exigences du produit et de ses dimensions. Par rapport à la TVHD, la méthode électrorésistive a une gamme plus large de courants, de températures et de profondeurs de couche. Avec l'aide de celui-ci, par exemple, un objet aussi massif et nécessitant une qualité spéciale qu'un couteau à baïonnette de soldat peut être fabriqué. Le durcissement superficiel par chauffage électrique nécessite un régime de refroidissement technologiquement vérifié dans l'huile, l'eau ou d'autres agents récepteurs de chaleur.

Conclusions

Ainsi, la tâche principale du durcissement superficiel est une telle répartition de la structure cristalline à l'intérieur du produit, dans laquelle des variétés de sorbite ou de troostite restent à l'intérieur et une couche de martensite se forme à l'extérieur. Cela peut être réalisé par plusieurs méthodes, des plus simples et des plus anciennes aux plus avancées et modernes sur le plan technologique. Dans tous les cas, la trempe de haute qualité de l'acier nécessite une qualification et une précision élevées conformément aux réglementations de production. Un produit fabriqué selon toutes les règles ne peut pas être bon marché. Pour cette raison, un bon couteau de cuisine et un karambit sont chers. La trempe de surface avec un faisceau laser est la plus courante uniquement pour les outils de coupe.