* LA  TREMPE *


  • La trempe est le procédé de base du durcissement de l'acier par traitement thermique. C'est  l'étape cruciale dans la fabrication des lames de nos couteaux. Connue depuis l'antiquité, cette opération reste une technique élaborée dès plus délicate, au point de vue technologique.
  

* LA TREMPE - THEORIE  *

  •   Fe(a) : Réseau cubique centré . 1 atome de fer sur chaque sommet du cube (en gris) + 1 atome au centre du cube ( En rouge). Cet atome central est primordial car il interdit toute inclusion d'éléments étrangers dans cette structure. (Les atomes de carbone ne peuvent pas entrer à l'intérieur de ce réseau cubique)

  •   Fe(g) : Cristaux cubiques à faces centrées. 1 atome de fer sur chaque sommet du cube (en gris) + 1 atome au centre de chaque face du cube (en violet ou bleu), soit un total de 14 atomes par cube.
  • Les cristaux de Fe(g) sont creux et peuvent donc absorber les atomes de carbone .
 

  • La trempe est le procédé de base du durcissement de l'acier par traitement thermique . L'acier est , en effet , un alliage dont les divers structures cristallines sont particulièrement complexes . Néanmoins pour comprendre le phénomène de trempe nous devons visualiser les divers structures cristallines que peut prendre l'acier . Prenons par exemple le carbone "C" : cet élément peut prendre 3 structures cristallines différentes : Le graphite (système cristallin hexagonal) , le diamant (système cristallin cubique) et le lonsdaleite (allotrope hexagonal du diamant) . Pour l'acier il en va de même surtout par la multiplication des possibilités de cristallisation avec la gamme variée des aciers alliés . Pour simplification nous allons considéré le cas d'un acier non-allié c'est à dire un alliage fer-carbone . Il y a divers aciers :
  • Aciers hypoeutectoïdes possédant de 0.008% à 0.8% de C , composé de Ferrite + Perlite , qui sont les plus mous .
  • Aciers Eutectoïdes possédant 0.8% de C
  • Aciers hypereutectoïdes possédant de 0.8% à 2.11% de C, composé de Perlite + Cémentite, et qui sont les plus durs .

  • Le fer , constituant majeur de l'acier , possède deux mailles cristallines différentes : la "Ferrite" Fer(a) et l'"Austénite" Fer(g) . Ce qui les différencie est l'arrangement spatial des atomes de fer .  La variété allotropique Fer(a) est constituée selon un réseau cubique centré ; c'est à dire que les atomes de fer occupent les sommets d'un cube + 1 site au centre du cube : soit au total 9 atomes par cristal . En chauffant l'acier , le réseau FERRITE [Fer(a)] se transforme en AUSTENITE [(Fer(g)] ; L'austénite possède une structure cristalline différente ; Le Fer(g) produit des cristaux cubiques à faces centrées , c'est à dire qu'il y a un atome de fer pour chaque sommet du cube + 1 atome au centre de chaque face du cube c'est à dire un total de 14 atomes par cristal . (Voir schéma) . L'austénite (g) ne possède pas d'atome de fer au centre du cube contrairement à la ferrite (a) . Ceci est très important car ce vide dans cette structure permet aux atomes de carbone de migrer à l'intérieur du réseau cubique de l'austénite (Fer g) alors que ceci est impossible dans le cas de la ferrite (Fer a) . Une des propriété physico-chimique d'intérêt de l'austénite est sa facilité de dissoudre et d'absorber des atomes de carbone . La transformation de la ferrite en austénite se réalisera à une température dite "d'Austénitisation" supérieure à la ligne AC3-AC1 du diagramme . Il faut maintenir l'acier au moins 30 min à température d'Austénitisation pour obtenir une transformation austénite complète . Lorsque la ferrite se transforme en austénite , les atomes de carbone vont se placer en solution solide dans la structure cristalline austénitique .
  • Lorsque l'acier se refroidit lentement , l'austénite se transforme de nouveau en ferrite ; par contre si ce refroidissement est rapide les atomes de carbone dissous à l'intérieur du réseau cubique de l'austénite n'auront pas le temps de migrer à l'extérieur de cette structure cubique formant une structure appelée "Martensite". 
  • En conclusion , la trempe est destinée à donner à l'acier une micro-structure très dure appelée la "MARTENSITE" . Au moment de la trempe , les atomes de carbone ne seront plus en mesure de rester dans la structure cubique centrée . Par conséquent , n'ayant pas le temps de diffuser dans la structure pour reformer de la ferrite , ils vont former de la "Martensite" . La "Martensite" est en fait de la "Ferrite" dont la maille cristalline est déformée pour laisser de la place aux atomes de carbone qui sont en solution . (Dissous dans la structure cubique du fer)

  • En résumé : On se procure de l'acier dans une aciérie : Cet acier sera de structure "Ferrite" . On chauffe cet acier à 950-1100°C (selon l'acier) pendant 30 minutes minimum et en conséquence on transforme la structure "Ferrite" en structure "Austénite" . On refroidie rapidement cette structure "Austénite" et on obtient de la "Martensite" de structure très dure . C'est la trempe martensitique .


  • FERRITE + T°élevée (950-1100°C) ============>  AUSTENITE
  • L'Austénite absorbe les atomes de carbone qui se "nichent" dans la structure cubique du fer (g).
  • AUSTENITE + Trempe adaptée    =============>  MARTENSITE

   
  • AUTRES COMPOSANTS :
  • La CEMENTITE : Molécule chimique stable (Fe3C) composant principal des fontes .  La cémentite est hyper dure mais très cassante .
  • La PERLITE : Constituant biphasé de l'acier ; c'est un agrégat formé de 89% de ferrite et 11% de cémentite . Sa structure est généralement formée de lamelles alternées de cémentite et de ferrite .

  • NOTA : Dans le processus de trempe on cherche , avant tout , obtenir de la martensite ; une trempe appropriée limite la formation de ferrite , perlite et cémentite . Il faut se rendre bien compte que la dureté de la ferrite est de 10-15 HRC , celle de la perlite de 40-45 HRC alors que la dureté de la martensite est de 64-66 HRC .


* Problèmes liés à la trempe *



  • 1) La vitesse critique de trempe : On peut définir pour une nuance d'acier donnée , la vitesse à partir de laquelle la trempe est "martensitique" . C'est une vitesse limite qu'on appelle la vitesse critique de trempe . Il faut que cette vitesse soit suffisante pour obtenir une transformation complète de l'austénite en martensite mais le traitement de trempe ne doit pas être trop agressif pour ne pas "casser" la structure cristalline . On aura à notre disposition diverses techniques de trempe suivant le type d'acier , ainsi que la masse d'acier de l' objet à tremper . Les principales techniques de trempe sont : Trempe à l'air , trempe à l'air pulsé , trempe à l'huile , trempe à l'eau . Les trempes à l'air sont simples mais peu efficaces sur des aciers très carburés . Les trempes à l'huile sont les plus généralisées mais de sérieuses études doivent être réalisées en fonction des pièces à tremper ; en effet projeter une lame d'acier à 1050°C dans de l'huile peut provoquer l'inflammation de cette dernière . Il y a des huiles industrielles variées pour chaque cas spécifique (Voir Chapitre 2) . L'eau à l'avantage de n'être pas inflammable ; par contre la trempe à l'eau pose deux problèmes : L'eau possède un pouvoir calorifique élevé ce qui produit une trempe agressive pouvant produire dans la structure cristalline des failles appelées "Tapures" . Autre problème critique se trouve le phénomène de "Caléfaction" : Lorsqu'une pièce à la température de trempe est immergée dans de l'eau , l'eau est vaporisée au contact de la pièce en formant une gaine de vapeur "isolante" qui ralentit considérablement le refroidissement . L'ajout de sel , de silicates , de glycérine ou de polyglycols permet de moduler la sévérité de la trempe à l'eau en jouant sur le phénomène de caléfaction .

  • 2) La profondeur de trempe : Dès qu'une pièce d'acier a un certain volume , les différents points d'une même pièce ne se refroidissent plus de façon identique . Ainsi au voisinage de la surface nous aurons une vitesse de refroidissement supérieure à la vitesse martensitique alors qu'au centre de la pièce nous aurons une vitesse inférieure à la vitesse critique de trempe ; ce phénomène conduit à une trempe martensitique de surface non homogène .

  • 3) Trempe Cryogénique : Nous avons vu que la trempe transforme l'AUSTENITE en MARTENSITE qui est la structure très dure recherchée ; c'est le but à atteindre ! Néanmoins cette transformation est rarement atteinte à 100% . L'austénite restant dans l'acier est appelée : "AUSTENITE RESIDUELLE" ; la transformation de l'austénite en martensite s'effectue lors du refroidissement à partir de la température d'austénisation . Le début de transformation s'effectue dès que la température passe en dessous d'un seuil "Ms" (Martensite Start) . Au fur et à mesure que la température baisse , le pourcentage de martensite créé augmente pour atteindre 100% à une température appelée Mf (Martensite Finish) . Si l'on passe le point Mf lors du refroidissement , la transformation en martensite est totale . Les températures Ms et Mf dépendent de la composition de l'acier . Si Mf est inférieure à la température ambiante , toute l'austénite ne sera pas transformée en martensite. C'est souvent le cas des aciers alliés fortement carburés .
  • Dans certains cas , l'austénite résiduelle se décompose lors des revenus , mais dans le cas des aciers fortement alliés , ou lorsque la température de revenu (conditionnée par les duretés recherchées) est insuffisante , l'austénite ne sera pas entièrement transformée . Si l'on veut obtenir des duretés élevées et des aciers parfaitement homogènes , le traitement cryogénique devient incontournable .
  • La pratique du traitement cryogénique : Le traitement sous zéro est généralement pratiqué dans une enceinte régulée , dont les températures négatives sont obtenues par injection d'azote liquide , les températures généralement pratiquées sont voisines de -90°C . Ce traitement , pour être efficace , doit être pratiqué IMMEDIATEMENT APRES LA TREMPE ; en effet au cours d'un traitement par le froid on bénéficie de la transformation martensitique "ANISOTHERME" . Dans tous les cas un revenu de détente doit au moins être réalisé après le traitement cryogénique .

  • 4) TREMPE DES ACIERS ALLIES :Comme l'acier est une solution solide de carbone dans le fer , il est compréhensible qu' introduire divers éléments dans cette solution va modifier le "Diagramme d'équilibre Fer-Carbone" .
  • Le Chrome (Cr) agit d'une part sur les points de transformation AC3-AC1 , et d'autre part sur la vitesse à laquelle se transforme l'austénite au cours du refroidissement . Les éléments qui limitent ou empêchent la formation de l'austénite Fer (g) sont appelés "Alphagènes" . Par exemple un acier peu carburé auquel on ajoute une quantité de Cr supérieure à 13% ne passe plus par l'état austénitique et par conséquent l'acier ne peut plus subir un durcissement par trempe . Pour cette raison les aciers ayant une quantité de Cr > 14% sont fortement carburés ; une deuxième action du Cr se manifeste par le ralentissement de la vitesse critique de transformation de l'austénite en martensite facilitant la trempe . Les aciers au chrome pourront être trempés à l'huile ou même à l'air pulsé . A partir de 12% de Cr , le Cr provoque une couche oxydée à la surface de l'acier, celle-ci le protégeant des attaques chimiques et limitant la corrosion .
  • Le Nickel (Ni) : il se dissout dans la ferrite et ne forme pas de carbures. il rabaisse le point de transformation AC3-AC1 de sorte que le domaine d'existence de l'austénite est élargie . Ainsi le Ni est le type des éléments dit "Gammagène" qui favorise la formation d'austénite Fer (g) , et par conséquent favorise la trempe .
  • Le manganèse (Mn) est gammagène et désoxydant favorisant la trempabilité .
  • Le molybdène (Mo) augmente la trempabilité des aciers alliés fortement carburés .
  • Le tungstène (W) et le Vanadium (V) sont utilisés afin d'obtenir des aciers durs et résistants.

  • 5) NOTES sur le diagramme d'équilibre Fer-Carbone : Si vous trouvez un manuel de métallurgie un peu ancien , vous trouverez comme définition : Alliage fer-carbone ou le carbone varie de 0.2% à 1.7% . au delà il s'agit de fonte . Si vous regardez le diagramme vous verrez que l'austénite existe jusqu'à 1.7% de C et donc au delà n'ayant plus d'austénite on ne peut pas réaliser la trempe martensitique . Avec la multiplication des aciers alliés on a déplacé ces limites jusqu'à 2.11% de Carbone . C'est la limite supérieure actuelle pour obtenir de l'acier par le processus de "Trempe martensitique" . Vous trouverez dans la table des aciers , certains aciers avec des concentrations de carbone supérieures à ces valeurs . Ces alliages ne sont pas obtenus par trempe mais par "Frittage" . (Voir "Aciers Frittés") .



* LA  TREMPE - TECHNOLOGIE *


  • La trempe consiste à refroidir à vitesse contrôlée des pièces en acier généralement dans un liquide pour leur conférer certaines propriétés métallurgiques . On trempe l'acier , pour en augmenter la dureté , la résistance et la durabilité . Le procédé consiste à porter l'acier à une température largement supérieure à sa température d'austénitisation (Généralement 1050-1200°C pour des aciers hypereutectoïdes) ; à cette température le carbone et les autres éléments d'alliage diffuse dans la masse de fer . Au bout de 30 minutes , l'acier présente une structure austénique . Si on le laisse refroidir lentement il se transforme en perlite , mélange ductile et mou de cémentite et de ferrite : c'est le RECUIT . Si le refroidissement est rapide on obtient une structure martensitique qui est une solution solide de carbure de fer dans du fer . Pour donner aux aciers une dureté maximale , on les refroidie rapidement de leur température d'austénitisation (1050-1200°C) à une température inférieure à 150°C . Le degré de dureté obtenu est proportionnel à leur teneur en carbone et à la vitesse de trempe .

  • La vitesse de refroidissement à laquelle l'acier se transforme intégralement en martensite est dite de "Refroidissement critique" . A une vitesse moindre , la trempe donne un mélange de martensite et d'autres produits intermédiaires qui diminuent la qualité de l'acier trempé . Dans la pratique , la vitesse à laquelle se refroidit une pièce trempée dépend de sa masse , de sa forme , de l'état de sa surface tout autant que de la technique de trempe . Quand les pièces d'acier ne durcissent pas comme il faut , c'est que la vitesse de refroidissement est inférieure à la vitesse critique . Il faut alors trouver une technologie de trempe plus appropriée .

  • TREMPE A L'EAU : Cette méthode fut longtemps la plus utilisée pour la trempe des lames de couteaux ; l'eau des ruisseaux était captée par les coutelleries afin de réaliser les opérations de trempe . Ainsi à Laguiole , les eaux de la Layollette étaient utilisées pour la trempe du fameux "Laguiole" ! Avec l'arrivée des aciers high-tech d'aujourd'hui l'opération de trempe est devenue beaucoup plus critique ; la trempe à l'huile est de plus en plus utilisée . L'eau possède un pouvoir calorifique élevé ce qui produit une trempe agressive pouvant produire des "TAPURES" . Un autre phénomène négatif est celui de la "CALEFACTION" car très complexe , non reproductible et donc un phénomène difficilement maîtrisable . Lorsque qu'une pièce à une T° élevée (>1000°C) est plongée dans de l'eau , celle-ci est vaporisée au contact de la pièce en formant une gaine de vapeur qui ralentit son refroidissement ; c'est la "Caléfaction" ; le problème majeur est que ce phénomène complexe n'est pas reproductible ; néanmoins en bain contrôlé l'ajout de sel , silicates , glycérine et polyglycol tend à modérer les problèmes dues à la caléfaction . Les avantages de la trempe à l'eau est son faible coût et c'est une technique non dangereuse contrairement à la trempe à l'huile (Les huiles chaudes sont inflammable) . Dans certain cas , l'eau froide génère un refroidissement trop rapide produisant des contraintes internes préjudiciables . Dans ce cas on peut utiliser de l'eau chaude . Pour éviter le phénomène de caléfaction on peut revêtir la pièce d'un revêtement . Cette opération s'appelle le "Potéyage" .

  • TREMPE A L'HUILE : La méthode de trempe à l'huile peut aller du simple bac au dispositif entièrement automatisé . La plupart du temps , la température optimale de l'huile de trempe se situe entre 50 et 90°C . Il faut vérifier que le processus de trempe n'augmente pas la température de l'huile à une température voisine du point d'éclair de l'huile (Température à laquelle une substance s'enflamme spontanément en présence d'oxygène) . Une bonne agitation du bain de trempe doit maintenir la température du bain , à moins de 50°C du point d'éclair de l'huile . Des essais de trempe montrent qu'on atteint la vitesse de refroidissement maximale quand la température de l'huile se situe entre 50 et 90°C . Pour obtenir un durcissement uniforme et des résultats constants , il faut que l'huile circule durant la trempe . L'agitation de l'huile a pour effet de distribuer uniformément la chaleur dans le bac et de réduire le risque d'inflammation et d'incendie en empêchant la formation d'une couche d'huile chaude en surface . Pour un bac muni d'un bon circuit de refroidissement , on conseille d'utiliser un à deux gallons d'huile par livre d'acier trempé à l'heure . Dans certains cas de températures d'austénitisation très élevées (1150-1200°C) , l'utilisation de bain d'huile à 150-175°C est conseillée pour la trempe .  Pour la trempe industrielle on emploie des huiles minérales spécialement conçues pour cet effet . La gamme des huiles de trempe présente des caractéristiques de rendement couvrant tous les types de trempe . Selon la viscosité de l'huile , la vitesse de trempe varie de 9 à 25 secondes avec des vitesses de refroidissement optimales entre 96°C et 50°C par seconde . Les huiles utilisées pour la trempe industrielle sont fabriquées à partir d'huiles paraffiniques de haute qualité , peu volatiles et avec un point éclair élevé (200-260°C) .

  • Sur le schéma présenté ici , vous avez le diagramme :
  Taux de refroidissement (en °C/sec) = (f) Température de l'acier (en °C) dans le bain de trempe .
  • Ce diagramme est typique d'une huile de trempe classique . On observe que lorsqu'on plonge l'acier dans l'huile on obtient un refroidissement de la pièce de ~30°C/sec ; dès que la température de l'acier approche les 700°C , le taux de refroidissement augmente rapidement pour atteindre 90°C/sec . On arrive ainsi rapidement à une pièce d'acier dont la température est de 400°C . Là , la trempe à l'huile devient peu performante car le taux de refroidissement tombe à moins de 10°C/sec . C'est là qu'intervient le principe de la trempe mixte , technique aujourd'hui largement utilisée .

  • TREMPE MIXTE : Cette méthode consiste à commencer la trempe par une trempe à l'huile et de terminer le processus de trempe par une trempe à l'eau , profitant ainsi de l'avantage des deux techniques . En effet la trempe à l'huile est supérieure pour l'abaissement de température de 1000°C à 500°C ; dès 400°C le taux de refroidissement de l'huile est très faible ; à partir de 400-500°C on termine la trempe par une trempe à l'eau . Il existe différentes techniques de trempe mixte parmi celles-ci :
  •   L'installation comporte à la partie inférieure du bac de trempe une charge d'eau recyclable , et à la partie supérieure , une nappe d'huile minérale d'une épaisseur déterminée . Les pièces sont d'abord immergées dans l'huile , où elles peuvent être maintenue pendant le temps nécessaire au début de la trempe (1100°C > 500°C) puis plongées plus profondément dans le milieu aqueux , permettant ainsi une trempe à l'eau plus efficace à basse température . Ce procédé permet d'obtenir une trempe efficace mais adoucie sur des aciers sensibles aux tapures , mais qui accuseraient une dureté insuffisante en subissant seulement une trempe à l'huile . Ce processus peut être immédiatement complété par un traitement cryogénique .

  • TREMPE A L'AIR : La trempe est obtenue uniquement si la vitesse de trempe est supérieure à la "Vitesse critique de trempe" . Dans le cas d'une trempe à l'air atmosphérique on ne peut pas tremper les aciers alliés modernes d'aujourd'hui . On a recourt à de l'air pressurisé pour augmenter la vitesse de refroidissement , mais si l'acier a une température supérieure à 900°C , le fer brûle ! Pour éviter ce phénomène d'oxydation on a recourt au "GAZ PULSE" généralement de l'argon ou de l'azote qui sont inertes . Dans la trempe à l'huile , les pièces trempées doivent subir des opérations de lavage et l'huile doit être filtrée , puis recyclée . Ces opérations ont un coût industriel . Il a été mis au point dernièrement , une technologie de trempe d'avant garde , à l'azote pressurisé et à température variable ; L'azote pulsé est d'abord projeté à température ambiante puis réfrigéré par de l'azote liquide ; En variant pression , vitesse et température de l'azote gazeux projeté sur les pièces d'acier à tremper , on arrive parfaitement à obtenir des vitesses de refroidissement supérieures à la vitesse CRITIQUE de trempe . Si les phénomènes physiques liés à la trempe sont bien connus les divers solutions technologiques modernes de ces techniques innovantes sont maintenues secrètes .

  • TAPURE : Fissuration du métal due aux contrainte d'origine thermique ; elle peut apparaître au chauffage des pièces ou au refroidissement durant la trempe . Pour limiter la formation de tapures lors de trempes d'aciers alliés à forte teneur en carbone , il faudra :
    * Limiter la vitesse de montée en température à 300°C/ h .
    * Effectuer un palier lors de la montée au point Ac1 (# 721°C) .
    * Eviter la trempe à l'eau trop agressive entre 1050 et 500°C .
    * Dès que la trempe (et le traitement cryogénique) est terminée, il faut procéder immédiatement au traitement de "Revenu" afin de stabiliser l'acier.