Les aciers pour traitements thermiques

Qu’est-ce qu’un acier pour traitements thermiques ?

Les aciers pour traitements thermiques sont des aciers spéciaux essentiellement destinés aux mécaniciens. Ces aciers sont du type aciers au carbone non alliés ou faiblement alliés (aucun élément n’est présent avec une teneur supérieure ou égale à 5%) car on n’y inclut pas les aciers à outils, fortement alliés, ni les aciers inoxydables.

Le traitement thermique final est utilisé pour obtenir des propriétés d’emploi spécifiques.

Les traitements thermiques intermédiaires permettent, par les possibilités qu’ils offrent, des conditions de mise en œuvre de l’acier (formage, usinage) plus intéressantes.

Quelles sont les caractéristiques recherchées d’un acier pour traitements thermiques ?

Les utilisateurs recherchent d’une part l’acquisition de caractéristiques de résistance au travers de deux propriétés :
La capacité de durcissement
La trempabilité ou l’aptitude d’exploiter la capacité de durcissement sur de grosses sections. Elle est estimée à partir des diagrammes de transformation et des courbes Jominy. La bande de dispersion Jominy de trempabilité (reliée à la composition chimique) est fournie dans les normes. Les nuances alliées peuvent être approvisionnées selon trois options : dispersion Jominy normale, dispersion réduite d’un tiers vers le haut de la bande de dispersion notée HH, dispersion réduite d’un tiers vers le bas de la bande de dispersion notée HL.

La taille et la forme de la pièce ainsi que l’efficacité des moyens de refroidissement influent sur les caractéristiques obtenues.

Les utilisateurs peuvent rechercher d’autre part des caractéristiques de ductilité. Il faut tenir compte de la compétition entre résistance et ductilité et de divers facteurs métallurgiques comme la propreté inclusionnaire et la grosseur de grain.

Existe-t-il une classification des aciers pour traitements thermiques ?

Les aciers pour traitements thermiques peuvent être classés selon leurs applications. On distingue en fonction des niveaux de performances visés :

des aciers pour traitement dans la masse
des aciers pour des traitements spécifiques tels que trempe superficielle, cémentation ou nitruration
des aciers pour emplois spécifiques (boulonnerie, roulements, chaînes mécaniques, ressorts).

Quelles sont les caractéristiques des différents aciers pour traitements thermiques ?

Les aciers pour traitement dans la masse (série NF EN 10083) contiennent du carbone pour le durcissement et des éléments d’alliages (manganèse, silicium, nickel, chrome, molybdène, vanadium, titane et dans certains cas bore) qui apportent la trempabilité et éventuellement, s’ils sont carburigènes, un durcissement secondaire. Les normes fournissent des données sur les caractéristiques mécaniques réalisables par des traitements thermiques de référence. Certaines nuances peuvent être livrées par les aciéristes à l’état traité (résistance de traction allant de 800 à 1400 MPa selon les produits et les nuances), le terme d’usage est « acier prétraité ».
L’acier 34CrMo4 est utilisé par exemple pour les pièces exigeant une bonne ténacité : vilebrequins, essieux, porte-fusées, arbres, leviers, crémaillères, crochets de traction, etc.
Les aciers spéciaux pour trempe après chauffage superficiel (voir NF A 35-563 mais on retrouve certaines de ces nuances également dans la NF EN 10083) ont tous une teneur minimale en carbone égale ou supérieure à 0,34% pour posséder une capacité de durcissement suffisante. Des garanties complémentaires concernent la teneur en phosphore (inférieure ou égale à 0,025%), les teneurs maxi en résiduels, l’indice de grosseur de grain austénitique et la dureté minimale sur couche trempée.
Ils évitent le recours à la cémentation pour les applications où l’on cherche à renforcer la résistance à l’usure ou à la fatigue.

Les aciers pour traitements thermiques

Quelles sont les caractéristiques des différents aciers pour traitements thermiques ? (suite)

Les aciers pour cémentation (voir norme NF EN 10084). Les traitements de cémentation ont pour objet d’augmenter la teneur en carbone en surface afin d’obtenir après trempe une couche très dure s’appuyant sur un cœur tenace. La teneur en carbone des aciers pour cémentation est donc en général voisine de 0,2%.
La nuance 16NiCr4 est par exemple utilisée pour les vis sans fin.
Les aciers pour nitruration (voir norme NF EN 10085). Les traitements de nitruration ont pour objet la création d’une couche durcie par introduction et diffusion d’azote. Les nuances les plus adaptées à la nitruration sont alliées avec des additions d’aluminium, de chrome, de molybdène, de vanadium.
La nuance 31CrMo12 est par exemple utilisée pour les engrenages, les broches, les vis de boudineuses, les pièces de machines-outils, les crémaillères, les arbres…
Les aciers pour boulonnerie (voir NF A35-556 et NF A35-557) sont des aciers spéciaux pour traitements thermiques mais doivent satisfaire également à des conditions particulières à leurs conditions d’emploi (température d’utilisation).
Les aciers pour roulements doivent répondre également à des exigences concernant la propreté inclusionnaire (facteur de la résistance à la fatigue), l’état de santé interne (absence de défauts) et l’état de surface. Des applications complémentaires (milieu corrosif, emploi à chaud) sont prises en compte dans la segmentation en 5 sous-catégories de nuances redéfinies dans la norme NF EN ISO 683-17.
Vous pouvez consulter sur le site du SPAS dans l’onglet aciers spéciaux la rubrique aciers pour roulements qui indique les principaux acteurs de ce segment.
Les aciers pour ressorts retenus dans la norme NF EN 10089 sont des aciers spéciaux alliés. Des options concernant la grosseur du grain, la teneur en inclusions non métalliques, l’absence de défauts internes (principalement ségrégations et inclusions), la qualité de surface, l’élimination des défauts superficiels, peuvent être spécifiées dans la commande, notamment dans le cas d’emploi avec des sollicitations sévères.

Il faut noter que les traitements thermiques ne s’appliquent pas uniquement à ces seuls aciers dits spéciaux mais également aux aciers à outils selon NF-EN-ISO 4957 qui incluent certaines nuances des normes d’aciers pour traitement thermiques, ainsi qu’aux nuances en acier inoxydable martensitique selon NF EN 10088.

Pour aller plus loin

Pour une approche de la microstructure des aciers, notion rentrant en ligne de compte dans les transformations lors des traitements thermiques, vous pouvez consulter l’Article d’experts de ConstruirAcier.

Pour une approche simplifiée des traitements thermiques vous pouvez consulter notre fiche sur ce sujet.

Pour approfondir le sujet vous pouvez consulter le dossier des Techniques de l’ingénieur.

Les indications figurant dans ce document sont fournies à titre informatif sans aucune garantie de A3M ; leur usage ne peut engager sa responsabilité en aucune façon. Seule la norme AFNOR dans son édition la plus récente fait foi.