CHAPITRE 5
TECHNOLOGIES DE RENFORCEMENT SUPERFICIEL

Le développement des traitements et revêtements de surface est un domaine prioritaire dans la mise en oeuvre des matériaux, avec pour, objectifs l'amélioration de la résistance à la corrosion simple ou sous contrainte, de la résistance à l'usure, de la résistance à la fatigue ou encore de l'aspect esthétique La figure 5.1 rassemble les principaux traitements superficiels applicables aux aciers inoxydables. Les zones superficielles d'un composant sont directement exposées aux agressions extérieures: • à l'échelle microphysique, les défauts cristallins y sont en contact avec l'environnement. Les dislocations s'y déplacent plus librement et les domaines cristallins s'y déforment plus aisément qu'en pleine matière ; • à l'échelle macroscopique, les zones de concentration de contrainte sont associées aux surfaces libres des pièces. Les sollicitations statiques ou cycliques de flexion ou de torsion génèrent des maxima de contrainte en surface. Deux approches sont utilisées: • modification d'une couche superficielle de la pièce par altération de la microstructure initiale et/ou de la composition initiale; • apport d'un revêtement extérieur sans altération ou avec une altération mineure de la pièce originale. Le tableau 5.1 rassemble les principaux traitements superficiels applicables aux pièces qui travaille en industrie agro-alimentaire. La résistance à l'usure est améliorée par l'augmentation de la dureté, et la résistance à la fatigue et à la corrosion sous contrainte par la génération de contraintes résiduelles de compression. Les deux effets sont attribuables à la localisation dans une couche superficielle de la formation d'une phase dure avec augmentation de volume, soit par transformation martensitique, soit par précipitation. TREMPE SUPERFICIELLE APRES CHAUFFAGE LOCAL Ce type de trempe permet l’obtention d’une structure martensitique dans une couche de quelques millimètres d’épaisseur. Le principe est le suivant : Il consiste à amener rapidement le métal à sa température d’austénitisation. Le refroidissement se fait au bout d’un temps très court pour éviter le transfert thermique par conduction (autotrempe). Aujourd’hui, nous connaissons 3 types de trempe après chauffage superficiel : • flamme (ou chalumeau) • induction • faisceaux de haute énergie (laser, électrons, plasma) TREMPE SUPERFICIELLE PAR INDUCTION Les premières recherches systématiques, concernant les effets thermiques des courants induits remontent à 1887 [144]. En 1923, le professeur RIBAUT de la Faculté des Sciences de Strasbourg, établissait la théorie complète du chauffage par induction. Cependant, dès 1916 NORTHRUP, en Amérique procédait aux premiers essais pratiques. Une première application à l'échelle industrielle, fût faite, aux USA en 1936, pour le traitement en chaîne d'arcanes de moteurs. En France, le chauffage par induction en vue du traitement de pièces métalliques fût utilisé pour la première foi à l'échelle industrielle en 1940, pour la trempe en série de coiffes d'obus. LE PRINCIPE Dans la trempe par induction, l'induction ne sert en fait qu'à échauffer la pièce sur une épaisseur donnée à la surface, jusqu'à une température supérieure à Ac3 (pour les aciers hypoeutectoides) ou supérieure à Acm (pour les aciers hypereutectoides). La zone chauffée devient austénitique et la trempe provoque la transformation en surface. Principe du chauffage par induction Le chauffage par induction d'une pièce d'acier est un phénomène physique complexe. On peut dire que le chauffage par induction est une application très directe à la fois de la loi d'induction - la loi de LENZ - et de l'effet JOULE, par un dispositif approprié, qui est le plus souvent un enroulement bobiné ou un solénoïde et qu'on appelle "inducteur". (Figure 5.2). On crée un champ magnétique alternatif, donc variable. Conformément à la loi de LENZ, toute substance conductrice de l'électricité, si elle se trouve dans ce champ magnétique variable, est le siège de forces électromotrices d'induction appelées courants de Foucault, dissipant de la chaleur par effet Joule, dans la substance même où elles ont pris naissance [142]. Le chauffage par induction met en jeu trois phénomènes physiques successifs: 1. transfert d'énergie de l'inducteur au corps à chauffer par voie électromagnétique; 2. transformation en chaleur dans le corps de l'énergie électrique par effet Joule; 3. transmission de la chaleur par conduction thermique dans la masse. L'interaction entre le champ magnétique et le courant induit, entraîne une distribution hétérogène du courant dans l'acier. Au centre de la pièce, le courant est nul, par contre, il est maximal en périphérie. La loi de décroissance est exponentielle La bobine et le corps à chauffer peuvent être assimilables dans leur principe à un transformateur. Les configurations d'inducteurs sont très variées. Principe du douchage Le douchage (figure 5.3) consiste en un refroidissement de la pièce. On peut appliquer différentes vitesses de refroidissement pour donner à l'acier différentes caractéristiques. Le douchage après un chauffage (figure 5.4) par induction est une opération localisée qui permet d'obtenir une couche durcie d'épaisseur limitée appelée couche superficielle ou profondeur de trempe ε. Le refroidissement se fait après un temps relativement court pour éviter que la chaleur ne diffuse vers le cœur du matériau, du fait de l'assez bonne conductivité thermique des aciers traités. En général, les trempes après chauffage par induction se font par un liquide de refroidissement. Ce liquide peut être de l'eau, de l'huile ou un liquide hydrosoluble dopé aux polymères. Aspect théorique de la trempe par induction Aspect théorique du chauffage par induction Pour les applications industrielles, deux paramètres caractérisent l'efficacité thermique et énergétique de l'induction. Il s'agit de l' "effet de peau" qui caractérise la répartition des courants induits dans la pièce (le champ magnétique alternatif qui pénètre dans le matériau décroît rapidement pour disparaître et avec lui les courants induits) et la puissance dissipée dans la pièce qui caractérise l'efficacité du phénomène électrique. Enfin, de nombreux paramètres interviennent : • la fréquence f du courant • la nature du matériau • le champ inducteur • le couplage entre l'inducteur et la pièce à chauffer (entrefer, longueurs respectives) • le type d'inducteur et les caractéristiques géométriques • la nature des conducteurs de l'inducteur Epaisseur de zone de peau δ En combinant les équations de Maxwell et en se plaçant dans l'approximation des courants de Foucault, on trouve une expression de l'épaisseur de la zone de peau δ. δ: épaisseur de zone de peau ρ: résistivité du métal μ0 :perméabilité du vide = 4∙10-7 μr :perméabilité magnétique relative pour un corps magnétique f : fréquence utilisée A la profondeur δ, appelée épaisseur de peau ou profondeur de pénétration, l'amplitude du champ magnétique et donc celles du champ électrique et de la densité de courant, valent 37% de l'amplitude en surface. A une profondeur égale à 2 δ, l'amplitude de ces grandeurs a décru de 87%. Ce phénomène est appelé effet de peau ou encore effet Kelvin. Au-delà, les grandeurs électromagnétiques ont une valeur négligeable. La profondeur de pénétration dépend de la fréquence des courants. Plus la fréquence est élevée, plus la profondeur de pénétration est faible. D'autre part, cette profondeur de pénétration dépend également de la nature du matériau, c'est à dire de sa résistivité électrique ρ et de sa perméabilité magnétique μ. Or ρ et μ sont dépendants de la température et c'est la principale cause du manque de corrélation entre les épaisseurs de peau calculées théoriquement (par modélisation par exemple) et les épaisseurs observées. La température empêche de calculer précisément les profondeurs. A chaque instant, la température change donc la puissance de chauffe et la profondeur de peau aussi. Quand la résistivité du corps augmente, il en est de même de l'épaisseur de peau δ. Aspect théorique du refroidissement après chauffage superficiel D'une manière générale, le refroidissement après chauffage superficiel se fait par douchage ou par immersion. De plus, on utilise différents liquides de refroidissement : • eau (à différentes températures) • huile • eau + additifs • air Enfin, le temps de refroidissement de la pièce joue un rôle très important puisque les transformations structurales du matériau dépendent en partie de la vitesse de refroidissement (en °C/s). En conséquence, on utilise ce manière approximative les diagrammes TTT (Temps - Température - Transformation) ou TRC (Transformation en Refroidissement Continu) pour donner à l'acier la structure voulue (et donc la dureté), et TTA (Temps – Température - Asténitisation) adaptées au chauffage superficiel. Après trempe, la profondeur martensitique finale (appelons p= profondeur de trempe) est inférieure à la pénétration de trempe . C'est la trempabilité de l'acier qui a fait son effet. CARACTERISTIQUES DE LA TREMPE PAR INDUCTION La trempe par induction a des avantages ; et ceux-ci du point de vue économique, métallurgique et mécanique. Caractéristiques économiques • Procédé à cycles rapides et non polluants. • Son rendement énergétique global est excellent; chauffage limité en temps et en volume aux seules quantités nécessaires. • Les progrès accomplis dans les équipements permettent au fabricant de répondre au besoin de l'utilisateur en ce qui concerne la définition métallurgique du profil traité, et avec une grande régularité indispensable pour la fabrication de grande série. Caractéristiques métallurgiques Il est important de savoir que les propriétés métallurgiques de la microstructure ont une conséquence sur les propriétés mécaniques du matériau. Lors du chauffage de la pièce, lorsque l'on passe au dessus de Ac3, le temps de maintien détermine le type d'austénite (homogène ou hétérogène). Une austénite homogène donnera une martensite homogène. De plus, la transformation α→γ dilate la microstructure et la trempe contracte le réseau cristallin. Cet enchainement de transformation du réseau génère des contraintes résiduelles qui sont à l'origine des améliorations des propriétés mécaniques. En faisant des examens au microscope optique, on remarquera la présence de martensite en surface. Jusqu'à une certaine épaisseur, la microstructure relèvera ensuite des plages de ferrites résiduelles et des plages de martensite. Enfin, au-delà de la profondeur de trempe, la microstructure sera celle qu’avait l'acier avant chauffage. Remarque : La présence de ferrite n'est pas souhaitable car celle ci peut être source de dislocations. A leur tour, les dislocations peuvent générer des fissurations dans les plages de ferrites et ensuite dans tout l'acier. Enfin, lors du refroidissement par trempe, il se peut qu'on génère la présence de tapures dues par exemple à une douche mal adaptée (débit mal réglé, température "froide" au démarrage d'une installation). Caractéristiques mécaniques Propriétés mécaniques résultantes : DURETE Le profil de la couche est lié au profil de dureté. Celui ci se décompose en 3 parties : • une zone de grande dureté de structure martensitique qui correspond à la profondeur de peau. • une zone de structure mixte ferrite + martensite qui marque la zone de transition. • une zone de plus basse dureté qui correspond à celle du cœur. FATIGUE Les pièces traitées par induction ont de très bonnes résistances à la fatigue. Cette tenue est associée aux contraintes internes (appelées aussi contraintes résiduelles). Lors du chauffage, la couche externe se dilate et le diamètre de la région chauffée est plus grand que le diamètre initial. La pièce est ensuite trempée (figure 5.5): • La peau se refroidissant la première, elle tend à se contracter mais cette contraction est gênée par les couches sous-jacentes. Tant que les couches superficielles sont austénitiques, elles vont seulement se déformer plastiquement en s'écrouissant. • Lorsque la transformation martensitique de la peau se produit, l'accroissement spécifique du volume empêché par le cœur fait naître en surface des contraintes résiduelles de compression. • Enfin, il existe une zone chauffée mais non transformée entre la surface et le cœur froid. Cet "anneau" de matière se refroidit à son tour, mais sa contraction gênée par le cœur engendre des contraintes de tension qui accroissent autant celles de compression. Nous avons regroupé dans un tableau 5.2 les caractéristiques mécaniques d'un acier traité par chauffage superficiel puis trempé. INCONVENIENTS La trempe par induction a certaines limitations, notamment liées à la géométrie des pièces à traiter, à la précision des profils de trempe obtenus, aux techniques de douchage et plus généralement au rendement et à la reproductibilité des inducteurs. Autre inconvénient important [145]: la mise au point peut être une opération longue et coûteuse, si l'on n'a pas la chance d'avoir un inducteur qui donne de bons résultats dès le démarrage. Les agents de refroidissement les plus couramment utilisés après chauffage inductif sont: • l'air calmé ou soufflé; • l'eau pure, • l'eau additionnée d'accélérateurs régulateurs; • l'eau additionnée de ralentisseurs régulateurs; • les huiles de trempe et les polymères [148, 150]. • malgré ses inconvénients de pollution, le procédé de trempe à l'huile par arrosage est quelquefois utilisé. • les inconvénients de la trempe à l'huile sont les difficultés de nettoyage bien que l'emploi des huiles lavables simplifie cette opération, la pollution, la difficulté de passer sur un même bac de l'huile à l'eau et la limitation sauf exception à la trempe par immersion. Ces inconvénients ont conduit la fabrication de liquide ininflammables qui, additionnée à l'eau lui confèrent les avantages de l'huile (les solutions aqueuses de polymères). La figure 5.6 présente la répartition des traitements thermiques par types de traitement. D'AUTRES ASPECTS Depuis le début des années 50, le marché des équipements de trempe superficielle par induction est en progression constante d'une quarantaine d'installations / an correspondant à 10 à 15 MVA réseau. Cette progression régulière est relativement peu influencée par la conjoncture économique; ce phénomène s'explique d'après [32] par la double amélioration de productivité et de compétitivité directement associée à l'utilisation de cette technique. La trempe superficielle par induction face aux technologies nouvelles concurrentes. Les technologies concurrentielles dans le domaine des traitements superficiels sont: le laser, le bombardement électronique; les traitements thermochimiques (cémentation, nitruration, carbonitruration etc..). Tant que les deux premières n'auront pas fait de bonds significatifs, quant à leurs performances et coûts d'accès, elles ne pourront prétendre qu'à des applications spéciales. L'induction, quant à elle, trouve ses limites dans le domaine des petites surfaces (petits alésages, pignonnerie de tout petit module etc...) Les traitements thermochimiques ne sont pas directement concurrentiels de la trempe superficielle par induction, mais complémentaires. Ils permettent en effet, d'atteindre des performances supérieures dans le cas de la trempe "contournée" de pièces très chargées, avec des congés de raccordement complexes, dissymétriques. Toutefois, l'emploi de ces techniques a été fortement concurrencé par la trempe par induction qui offre un bilan économique global plus favorable et une bonne insertion dans un procès "tout en ligne" [32]. TRAITEMENTS SUPERFICIELS PAR LASER ET PAR FAISCEAU D'ELECTRONS Les nouvelles sources à haute densité d'énergie, le tels que le laser ou le faisceau e d'électrons, présentent un intérêt grandissant dans le domaine des technologies non polluantes de renforcement superficiels. Le laser et le faisceau d'électrons se situent pratiquement dans le même domaine de densité d'énergie. Le laser présente plusieurs avantages, comme la possibilité de travailler dans l'air ou d'être transporté sur une grande distance, avec une absence de déviation magnétique, mais il présente l'inconvénient actuel d'être limité au niveau de la puissance, ce qui réduit les surfaces susceptibles d'être traitées en un seul passage. Le faisceau d'électrons présente l'avantage de ne pas avoir la même limitation en puissance que le laser, mais il ne peut pas être transporté sur de grande distances et nécessite à l'heure actuelle de travailler dans des enceintes sous pression réduite. Par rapport aux techniques classiques de durcissement sélectif, la caractéristique importante de ces procédés est un flux d'énergie interne qui entraîne des vitesses de chauffage extrêmement rapide. De ce fait, quand un faisceau la heurte la surface d'un métal ferreux atteint des température d'austénitisation après un temps d'interaction très court (une fraction de seconde) tandis que le cœur du métal n'est pas affecté, c'est-à-dire que le gradient de température à partir de la surface est raide. En conséquence, quand la source de chaleur est supprimée, il n'y a pas besoin de fluide de trempe externe, pour produire la transformation martensitique dans la couche superficielle, le cœur du matériau fourni un récepteur de chaleur approprié pour une auto trempe [152]. Le principe de l'auto-trempe est la base de l'un des principaux avantages, revendiqué a ces traitements (réduction de la pollution, distorsion minimale etc...). D'autres avantages dérivent de leurs bonnes possibilités de régulation (une sélectivité et une précision plus grande de la zone traitée; une aptitude à traiter des surfaces inaccessibles aux technologies classiques; la reproductibilité, la souplesse) et de leur vitesse (grande vitesse de production). Suivant le temps d'interaction entre le faisceau d'énergie, la matière et les puissances mises en jeu, les traitements superficiels envisageables peuvent être pour des densités de puissance croissantes, le durcissement en phrase solide, la création d'alliages de surface et la réalisation de phases micro cristallisés obtenus par glaçage de surface, voire amorphes. Figure 5.7 Diagramme de flux thermique - durée d'interaction entre le faisceau d'énergie, la matière et la situation des différentes possibilités de traitement superficiel [ 143]. PRINCIPE DU TRAITEMENT THERMIQUE AU LASER Depuis l'invention du laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) dans les années 1950, son développement il conduit à des unités industrielles robustes et fiables, employées dans de nombreux procédés de travail des métaux, dont le perçage, la coupe et le soudage. Son emploi comme outil de traitement thermique a été sérieusement envisagé pour la première fois au début des anées 1970. Le principe du traitement par choc laser est présenté dans la figure 5.8. Fondamentalement, dans un laser, les atomes d'un gaz ou d'un cristal (le milieu où a lieu le processus laser) sont excités à un état de haute énergie par l'application d'une énergie électrique, ou lumineuse (le stimulant). Une partie de cette énergie est relibérée sous forme d'un faisceau de forte intensité, parallèle et cohérent de rayonnement électromagnétique avant une longueur d'onde bien fixe, ou limitée à une bande étroite, qui peut se propager sur de longues distances, sans absorption, ni dispersion notable et peut être focalisé ou réfléchi par des lentilles ou des miroirs classiques (figure 5.8). Différents lasers opèrent a des longueurs d'ondes allant de l'ultraviolet à l'infrarouge. LE PRINCIPE DU TRAITEMENT THERMIQUE PAR FAISCEAU D'ELECTRONS La technologie du faisceau d'électrons est disponible depuis environ 35 ans et est maintenant largement adaptée comme un outil industriel fiable pour le soudage ou d'autres applications. Le rendement global et la précision élevés du faisceau lui ont permis d'effectuer des travaux précédemment impossible. Néanmoins, à cause des frais d'investissements élevés qu'il suppose, on ne s'est jusqu'à présent peu intéressé à ses possibilités au point de vue traitement thermique. Maintenant avec l'avènement des lasers pour durcissement de surface, l'intérêt de l'application des faisceaux d'électrons dans le même domaine a repris de l'importance. Le principe du traitement par faisceau d'électrons est présenté en figure 5.9 et en figure 5.10 est présenté le traitement par arc plasma. La puissance dit faisceau d'électrons, sous forme d'un jet d'électrons de forte énergie, est créée à l'intérieur d'un "canon" comprenant un filament chauffé émetteur d'électrons, une anode qui accélère ces électrons à travers un potentiel à haute tension, une bobine de focalisation qui concentre le faisceau à une distance réglable de la source et une bobine de déflexion qui sert à déplacer le faisceau comme on le désire. Contrairement aux lasers, la totalité du système, y compris la chambre de travail, opère sous vide, toutefois, comme dans ce cas l'énergie cinétique des électrons est transmise directement aux atomes de la surface de la pièce (par exemple avec une tension d'accélération de 125 kV, les électrons pénètrent d'environ 0,04 mm dans l'acier) et comme il ne s'agit pas d'absorption, un revêtement est inutile. Un vide "doux" (typiquement 5•10-2 mm Hg,) est employé normalement dans la chambre de travail;comme une chambre de traitement thermique classique à un volume de 0,02 - 0,11 m3, la mise sous vide est rapide et des vitesses de production élevées sont réalisables. Le progrès qui a permis l'application pratique du principe précédent, a été le développement d'un système de commande par ordinateur programmable spécialisé, couplé avec un équipement de faisceau d'électrons (figure 5.11).