Dans les applications de production industrielle et d'ingénierie, l'amélioration de la dureté de la surface des matériaux est cruciale, répondant aux besoins fondamentaux tels que la résistance à l'usure, la résistance à la fatigue, la résistance à la corrosion et la résistance à l'oxydation à haute température. Cet article résume quatre méthodes traditionnelles pour aider les lecteurs à obtenir une vue d'ensemble claire pour une sélection précise dans la pratique.
I. Technologie de trempe de surface
La trempe de surface est une méthode de base pour le durcissement de surface via un chauffage et un refroidissement rapides, avec des processus courants tels que le durcissement par induction, le durcissement à la flamme et le durcissement par laser ou par faisceau d'électrons. Ces technologies induisent une transformation de phase de surface pour former des phases durcies sans altérer la composition chimique, nécessitant que les matériaux aient une certaine teneur en carbone et une bonne trempabilité.
Le durcissement par induction place la pièce dans une bobine à courant alternatif, utilisant des courants de Foucault de surface pour un chauffage rapide, puis un refroidissement par pulvérisation d'eau ou auto-refroidissement. Il offre un chauffage rapide, un rendement élevé, une déformation minimale, une automatisation facile et un contrôle précis de la profondeur de la couche durcie grâce au réglage de la fréquence.
Le durcissement à la flamme utilise une flamme à haute température pour chauffer la surface de la pièce à la température de trempe, suivie d'un refroidissement immédiat à l'eau. Il se caractérise par un équipement simple, un faible coût et une flexibilité, mais souffre d'un mauvais contrôle de la température et de la profondeur des couches, sujet à la surchauffe et à une qualité de produit incohérente.
Le durcissement par laser ou par faisceau d'électrons balaye la surface avec des faisceaux à haute densité d'énergie, chauffant rapidement la couche et s'appuyant sur la conductivité thermique de la pièce pour son auto-refroidissement. Il offre une densité d'énergie ultra élevée, une déformation minimale et un traitement précis de zones locales complexes, produisant une couche à grain fin et de haute dureté adaptée aux exigences de déformation strictes.
II. Technologie de traitement thermique chimique
Le traitement thermique chimique chauffe les pièces dans un milieu actif pour infiltrer des éléments comme le carbone, l'azote et le bore dans la surface, modifiant ainsi sa composition chimique et sa microstructure pour des performances supérieures. Les processus courants comprennent la cémentation, la nitruration, la carbonitruration, la boronisation et le revêtement par diffusion métallique.
La cémentation traite l'acier à faible teneur en carbone dans un milieu riche en carbone à haute température, formant une couche superficielle à haute teneur en carbone. La trempe ultérieure et le revenu à basse température donnent une couche durcie en profondeur avec une dureté et une résistance à l'usure élevées, tout en maintenant la ténacité du noyau.
La nitruration s'applique aux aciers alliés contenant des éléments spécifiques, chauffant dans un milieu de nitruration à basse température pour former des nitrures de haute dureté. Il offre une basse température, une déformation minimale, une dureté de surface élevée et une excellente résistance à l'usure, à la fatigue et à la corrosion, mais présente une couche peu profonde et un long cycle de traitement.
La carbonitruration infiltre à la fois le carbone et l'azote à une température comprise entre la cémentation et la nitruration. Il combine leurs avantages : un traitement plus rapide, une faible déformation et une résistance à l'usure et à la fatigue améliorées.
Le revêtement de boration et de diffusion métallique forme des couches de composés extrêmement dures sur la surface, conférant aux matériaux une excellente résistance à l'usure abrasive et des performances anti-grippage.
III. Technologies de revêtement de surface et de dépôt
Ces technologies renforcent les pièces en appliquant un revêtement ou un placage de haute dureté et résistant à l’usure distinct du substrat. Les méthodes courantes comprennent le dépôt physique en phase vapeur (PVD), le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la pulvérisation thermique, la galvanoplastie et le placage autocatalytique.
Le PVD vaporise les matériaux de revêtement par des moyens physiques sous vide, déposant des films minces sur la surface. Il fonctionne à basse température, provoquant une déformation minimale, avec une dureté de revêtement élevée, un aspect régulier et une bonne adhérence au substrat.
Le CVD forme des films solides grâce à des réactions en phase gazeuse à haute température. Il produit des revêtements denses et uniformes avec une forte adhérence au substrat, adaptés aux pièces de forme complexe, mais les températures élevées peuvent provoquer une déformation et un ramollissement du noyau.
La pulvérisation thermique pulvérise des matériaux fondus ou semi-fondus sur la surface via un flux d'air à grande vitesse. Il prend en charge une large gamme de matériaux et de revêtements épais, mais a une force de liaison inférieure à celle du PVD et du CVD et une porosité potentielle.
La galvanoplastie utilise l'électrolyse, tandis que le placage autocatalytique repose sur des réactions chimiques pour déposer des revêtements métalliques ou en alliage. Le chromage dur offre une excellente résistance à l'usure et le nickelage autocatalytique a une épaisseur uniforme avec une dureté traitable thermiquement.
IV. Technologie de renforcement de la déformation de surface
Cette méthode utilise des moyens mécaniques pour induire une déformation plastique de la surface de la pièce, formant une couche écrouie et une contrainte de compression résiduelle pour améliorer la résistance à la fatigue et à la corrosion sous contrainte. Les processus clés comprennent le grenaillage et le renforcement par laminage ou par extrusion.
Le grenaillage pulvérise des projectiles à grande vitesse sur la surface de la pièce, induisant une déformation plastique et une contrainte de compression résiduelle. Il améliore considérablement la résistance à la fatigue grâce à une opération simple et à un faible coût, bénéficiant d'une large application.
Le renforcement par roulement ou par extrusion applique une pression via des rouleaux ou des billes durs sur la surface de la pièce, induisant une déformation plastique et une contrainte de compression. Il améliore non seulement la résistance à la fatigue, mais réduit également la rugosité de la surface, ce qui convient au renforcement de zones spécifiques.
La compréhension de ces technologies de base permet une sélection ciblée de la solution de durcissement de surface optimale pour les demandes d'application spécifiques.
