Adoucissement de l'acier – méthodes, température, microstructure et application

Adoucissement de l'acier Il englobe les traitements thermiques visant à réduire la dureté d'un matériau, à accroître sa plasticité ou à obtenir une microstructure plus adaptée aux transformations ultérieures. L'adoucissement est principalement utilisé avant l'usinage, la mise en forme plastique et les traitements thermiques ultérieurs, tels que la trempe.
Ce procédé est particulièrement important pour les aciers à haute teneur en carbone, les aciers alliés et les aciers à outils, dont la dureté élevée ou une teneur en carbures trop importante peuvent rendre difficiles les opérations de tournage, de fraisage, de perçage ou autres opérations d'usinage. L'adoucissement peut également être utilisé pour les matériaux durcis par écrouissage, lorsqu'il est nécessaire d'éliminer les effets de ce dernier et de restaurer la capacité du matériau à subir de nouvelles déformations.
Il n'existe pas de méthode universelle pour adoucir l'acier. Selon le type de matériau, sa teneur en carbone, ses éléments d'alliage, sa structure initiale et l'effet recherché, différentes méthodes sont utilisées, notamment le recuit complet, le recuit isotherme, le recuit de sphéroïdisation et le recuit de recristallisation.

Qu'est-ce que le ramollissement de l'acier ?

L'adoucissement exploite la relation entre les propriétés mécaniques de l'acier et sa microstructure. Des procédés de chauffage, de recuit et de refroidissement judicieusement choisis permettent de modifier la taille et la forme des éléments structuraux, la distribution des carbures, l'état de durcissement du matériau et le niveau de contraintes résiduelles.
Selon le procédé utilisé, les phénomènes suivants peuvent se produire : transformation de l’austénite en ferrite et en perlite, sphéroïdisation de la cémentite ou d’autres carbures, recristallisation du matériau écroui et réduction de la densité de dislocations.
L'effet observé est généralement une diminution de la dureté et de la résistance du matériau aux transformations ultérieures, ainsi qu'une augmentation de sa ductilité. Toutefois, le mécanisme exact dépend de la méthode employée ; le terme « adoucissement » ne doit donc pas être assimilé à un seul cycle thermique.

Pourquoi l'acier se ramollit-il ?

Les matériaux livrés après laminage, forgeage, étirage, trempe ou autres procédés technologiques ne possèdent pas toujours les propriétés requises pour l'opération de production suivante. Une dureté excessive accroît l'usure des outils et les efforts de coupe, tandis qu'un écrouissage excessif peut limiter la possibilité d'emboutissage, de pliage ou d'étirage ultérieurs.
Les principaux objectifs de l'adoucissement de l'acier sont :

• réduire la dureté du matériau,
• amélioration de l'usinabilité dans les nuances d'acier appropriées,
• augmentation de la plasticité et de la capacité à être façonné davantage,
• supprimer ou limiter les effets du durcissement par déformation,
• obtenir une forme favorable de cémentite ou de carbures,
• préparation de l'acier pour trempe et traitement thermique ultérieur,
• homogénéisation de la microstructure avant les étapes de production suivantes.

Méthodes d'adoucissement de l'acier

Le choix de la méthode d'adoucissement dépend principalement du type d'acier et de l'effet technologique recherché. Un acier à haute teneur en carbone destiné à la trempe requiert un procédé différent de celui utilisé pour les tôles à faible teneur en carbone fortement trempées lors du laminage à froid.

1. Recuit complet

recuit complet Cela consiste à chauffer l'acier à une température qui assure une austénitisation appropriée, à chauffer le matériau puis à le refroidir très lentement, généralement avec le four.
Pour les aciers hypoeutectoïdes, la température de traitement est choisie au-dessus de la température critique Ac3. La température exacte, le temps de maintien et la vitesse de refroidissement dépendent de la nuance d'acier et des dimensions du composant.
Un refroidissement lent permet d'obtenir une structure ferrite-perlite relativement tendre. Comparé à normalisation de l'acier Le refroidissement étant beaucoup plus lent, la structure et les propriétés mécaniques qui en résultent sont différentes.
Utilisation typique : aciers de construction et autres nuances nécessitant une réduction de dureté, une amélioration de la plasticité ou une préparation à un traitement ultérieur.

2. Recuit isotherme

recuit isotherme Ce procédé utilise une transformation contrôlée de l'austénite à température constante. Après austénitisation, l'acier est refroidi à la température de transformation appropriée, puis maintenu à cette température jusqu'à l'obtention de la microstructure requise.
Contrairement au recuit classique avec refroidissement très lent et continu, la transformation s'effectue dans des conditions isothermes contrôlées. Ceci permet d'obtenir une structure plus uniforme et, pour certains aciers, un temps de traitement plus court.
Cette méthode est utilisée, entre autres, dans certains aciers alliés et aciers à outils où un refroidissement lent lors d'un recuit traditionnel serait trop long.
Effet: obtenir une microstructure et des propriétés contrôlées permettant un traitement mécanique ou thermique ultérieur.

3. Recuit à billes – sphéroïdisation

Le recuit à billes, également appelé sphéroïdisationCe procédé est particulièrement important pour les aciers à haute teneur en carbone, les aciers à roulements et les aciers à outils. Son but est de modifier la morphologie de la cémentite et d'autres carbures afin de produire des particules plus arrondies et sphéroïdales disposées dans une matrice ferritique au lieu d'une structure lamellaire ou en treillis.
La sphéroïdisation peut être réalisée par différents cycles thermiques, notamment un chauffage prolongé à proximité de la température Ac1 ou des cycles de température dans une plage spécifique. Les paramètres dépendent de la composition chimique et de la structure initiale de l'espèce considérée.
Modifier la forme et la répartition des carbures permet de réduire considérablement la dureté de l'acier à haute teneur en carbone et d'améliorer son usinabilité. Une structure correctement préparée offre également des conditions initiales favorables avant la trempe ultérieure.
Utilisation typique : aciers à outils, aciers à roulements et autres aciers à haute teneur en carbone destinés à un traitement mécanique et à un durcissement ultérieurs.

4. Recuit de recristallisation

recuit de recristallisation Il est principalement utilisé pour les matériaux durcis lors du formage à froid, par exemple par laminage, étirage ou estampage.
Lors de la déformation à froid, la densité de dislocations augmente, le matériau se durcit et sa dureté et sa résistance augmentent, tandis que sa ductilité diminue. Une fois un degré d'écrouissage élevé atteint, la mise en forme ultérieure peut devenir difficile.
Le recuit de recristallisation crée de nouveaux grains, exempts des effets de l'écrouissage antérieur. Il en résulte une réduction de la dureté et de la résistance dues à l'écrouissage, ainsi qu'une restauration de la ductilité.
Utilisation typique : feuilles, bandes, fils et autres produits semi-finis soumis à un travail à froid intensif.

Comparaison des méthodes d'adoucissement de l'acier

Méthode Mécanisme de base Effet principal Application typique Recuit complet Austénitisation et transformation lente pendant le refroidissement Réduction de la dureté et structure plus tendre Aciers de construction et produits semi-finis avant transformation Recuit isotherme Transformation de l'austénite à température constante et contrôlée Microstructure uniforme et propriétés contrôlées Aciers alliés et à outils sélectionnés Recuit de granulation/sphéroïdisation Modification de la morphologie de la cémentite et des carbures Réduction de la dureté et amélioration de l'usinabilité Aciers à haute teneur en carbone, aciers à roulements et aciers à outils Recuit de recristallisation Formation de nouveaux grains après écrouissage Suppression des effets de durcissement et restauration de la ductilité Tôles, bandes et fils écrouis

Comparaison des méthodes d'adoucissement de l'acier

Comment la microstructure évolue-t-elle lors du ramollissement ?

Les modifications microstructurales dépendent du type de recuit. Il est donc impossible d'identifier une structure caractéristique unique pour tous les procédés d'adoucissement.
Selon la technologie utilisée, les événements suivants peuvent se produire :

• formation d'une structure ferritique-perlitique lors d'un refroidissement lent après austénitisation,
• transformation contrôlée de l'austénite lors d'un recuit isotherme,
• sphéroïdisation de la cémentite et d'autres carbures dans les aciers à haute teneur en carbone et les aciers alliés,
• récupération et recristallisation de la structure après un travail plastique à froid préalable,
• réduire la densité de dislocations et les effets de l'écrouissage.

Recuit de sphéroïdisation – pourquoi est-il important pour les aciers à outils ?

Dans les aciers à outils et autres aciers à haute teneur en carbone, la dureté n'est pas le seul paramètre déterminant l'usinabilité. La forme, la taille et la répartition des carbures sont également cruciales.
Une structure comportant des carbures quasi sphériques et bien répartis facilite l'usinage et offre des conditions initiales optimales pour l'austénitisation et la trempe ultérieures. C'est pourquoi les aciers à outils sont souvent livrés à l'état recuit.
La dureté réelle après recuit doit être déterminée pour chaque nuance d'acier. Il est déconseillé d'adopter une seule plage de dureté HB ou HV pour tous les aciers à outils.

Adoucissement et usinabilité de l'acier

L'une des principales raisons d'appliquer un adoucissement est de préparer le matériau au tournage, au fraisage, au perçage, au brochage ou à d'autres opérations d'usinage. La réduction d'une dureté excessive permet de diminuer les contraintes sur l'arête de coupe et l'usure de l'outil.
Cependant, la relation entre dureté et usinabilité n'est pas linéaire. Les matériaux les moins durs ne sont pas toujours les plus faciles à usiner. Les aciers très tendres et ductiles peuvent présenter des problèmes de formation de copeaux, d'arêtes rapportées et de finition de surface.
Par conséquent, le procédé approprié est sélectionné non seulement pour obtenir la dureté la plus faible possible, mais surtout pour obtenir une microstructure adaptée au matériau spécifique et à la technologie de production ultérieure.

Adoucissement et teneur en carbone de l'acier

La teneur en carbone influe considérablement sur le choix de la méthode d'adoucissement. Dans les aciers à faible teneur en carbone, il est particulièrement important d'éliminer les effets de l'écrouissage. Dans les aciers à moyenne teneur en carbone, le choix du procédé dépend notamment des traitements mécaniques et thermiques ultérieurs.
Dans les aciers à haute teneur en carbone, la morphologie de la cémentite et des autres carbures revêt une importance croissante. C'est pourquoi les procédés de sphéroïdisation des carbures sont fréquemment utilisés dans les aciers à outils, à roulements et à ressorts.

Adoucissement des aciers au carbone

Pour les aciers au carbone, le choix du traitement dépend de la teneur en carbone et de l'état final souhaité. Par exemple, un acier C45 peut nécessiter un traitement différent de celui des aciers à ressorts ou à outils à haute teneur en carbone.
Dans les aciers à haute teneur en carbone, un recuit de sphéroïdisation peut être utilisé avant l'usinage et la trempe ultérieure. L'obtention d'une cémentite de forme adéquate facilite les étapes de traitement ultérieures et prépare la structure au cycle thermique suivant.

Adoucissement des aciers alliés

Les éléments d'alliage peuvent influencer considérablement les températures de transformation, la trempabilité, le type de carbures formés et la vitesse des processus de diffusion. Par conséquent, les paramètres adaptés à l'acier au carbone ne doivent pas être automatiquement appliqués aux aciers au chrome, au chrome-molybdène, au nickel ou aux aciers fortement alliés.
Dans les aciers alliés, le contrôle de la température, de la durée et de la vitesse de refroidissement du traitement thermique est particulièrement important. Pour les aciers à outils, les paramètres de recuit d'adoucissement sont généralement déterminés individuellement pour chaque nuance.

Adoucissement des aciers inoxydables

En ce qui concerne les aciers inoxydables, le terme « adoucissement » doit être utilisé avec précaution. Les aciers austénitiques, ferritiques, martensitiques et duplex présentent des microstructures différentes et nécessitent des traitements thermiques différents.
Par exemple, les aciers inoxydables austénitiques peuvent s'écrouir considérablement lors de l'écrouissage. Le rétablissement de leur ductilité exige un traitement thermique soigneusement sélectionné et adapté à la nuance concernée. Par conséquent, il convient de ne pas utiliser une plage de températures unique et universelle pour « adoucir l'acier inoxydable ».

L'effet du temps et de la température sur le ramollissement de l'acier

La température et la durée sont étroitement liées. Une température trop basse risque de ne pas induire les modifications microstructurales souhaitées, tandis qu'une température trop élevée ou un chauffage excessivement long peuvent entraîner une croissance indésirable des grains ou d'autres modifications structurales.
Les paramètres du processus doivent inclure :

• nuance et composition chimique de l'acier,
• températures critiques des matériaux,
• structure de sortie,
• degré de renforcement antérieur,
• dimensions et géométrie de l'élément,
• type de four et méthode de chauffage,
• microstructure finale attendue,
• type de traitement mécanique ou thermique supplémentaire.

Effet de la vitesse de refroidissement

La vitesse de refroidissement est l'un des paramètres qui déterminent la structure finale de l'acier. Le recuit complet classique utilise un refroidissement lent pour permettre les transformations qui conduisent à une structure plus tendre.
Lors d'un recuit isotherme, le matériau austénitisé est porté à une température spécifique où se produit une transformation contrôlée. En revanche, lors d'un recuit de recristallisation, la méthode de refroidissement revêt une importance différente, car l'objectif principal est d'éliminer les effets de l'écrouissage antérieur, et non de transformer l'austénite.
C’est pourquoi une seule valeur de vitesse de refroidissement ne doit pas être considérée comme appropriée pour tous les procédés d’adoucissement.

Atmosphère lors du recuit doux

Lors d'un recuit, la température et la durée sont importantes, mais l'atmosphère du four l'est tout autant. Les températures élevées peuvent entraîner une oxydation superficielle, la formation de calamine et, dans certaines conditions, des modifications de la composition chimique de la couche superficielle.
Selon les exigences technologiques, on utilise des fours fonctionnant à l'air libre, sous atmosphère protectrice ou sous vide. L'atmosphère protectrice ou le vide peuvent s'avérer particulièrement importants pour les composants de précision et les aciers alliés, pour lesquels une réduction par oxydation et une qualité de surface élevée sont requises.

Application du ramollissement de l'acier dans l'industrie

Production d'outils

Les aciers à outils subissent souvent un traitement mécanique avant la trempe finale. Le recuit doux, notamment la sphéroïdisation, permet d'obtenir une structure qui facilite le fraisage, le tournage, le perçage et autres opérations effectuées avant le traitement thermique final.

Production de roulements

Dans les aciers à roulements à haute teneur en carbone, il est important d'obtenir une forme et une distribution appropriées des carbures avant la trempe. Le recuit de sphéroïdisation est donc une étape cruciale de la préparation du matériau.

Production de feuilles, de bandes et de fils

Les matériaux soumis au laminage à froid ou à l'étirage durcissent progressivement. Un recuit de recristallisation leur redonne la ductilité nécessaire et permet la poursuite du processus de mise en forme.

Industrie des machines

Le ramollissement peut être utilisé lors de la préparation de produits semi-finis tels que des arbres, des essieux, des engrenages, des composants de transmission, des moules et autres pièces nécessitant un usinage intensif avant le traitement thermique final.

Recuit d'adoucissement et de détente

Le ramollissement ne doit pas être assimilé à recuit de détenteL'objectif principal du traitement de relaxation des contraintes est de réduire les contraintes résiduelles tout en minimisant la modification de la microstructure de base du matériau.
Lors du ramollissement, l'objectif principal est de modifier la dureté, la plasticité ou la microstructure de manière à faciliter les opérations technologiques ultérieures.

Adoucissement et normalisation

Acier normalisé Ce procédé implique une austénitisation suivie d'un refroidissement à l'air. Dans de nombreux aciers au carbone, il permet d'obtenir une structure plus fine, une dureté et une résistance supérieures à celles obtenues par recuit lent.
Si l'objectif principal est de faciliter au maximum l'usinage de l'acier à outils à haute teneur en carbone, le recuit de sphéroïdisation peut s'avérer plus approprié. En revanche, si l'on souhaite affiner le grain et obtenir une homogénéité structurale après forgeage ou laminage, la normalisation peut être la méthode la plus appropriée.

Ramollissement et durcissement

Adoucissement et trempe de l'acier Leurs objectifs sont fondamentalement différents. La trempe produit une structure à haute dureté, tandis que l'adoucissement sert à réduire la dureté ou à obtenir une structure adaptée à un traitement ultérieur.
Cependant, ces procédés se déroulent souvent selon une seule séquence technologique. L'acier à outils peut d'abord être recuit, puis usiné mécaniquement, et enfin trempé. pardonné.

Les principaux avantages de l'adoucissement de l'acier

• réduire la dureté excessive,
• améliorer l'usinabilité dans les nuances appropriées,
• augmenter la plasticité du matériau,
• restauration de la plasticité après écrouissage,
• obtenir la morphologie appropriée du carbure,
• préparation des aciers à outils et des aciers à haute teneur en carbone en vue de leur trempe,
• la possibilité de réaliser les étapes ultérieures de mise en forme et d'usinage mécanique.

Limitations du processus

• Les paramètres doivent être sélectionnés pour une nuance d'acier spécifique.
• Une température trop élevée peut entraîner une croissance défavorable des grains.
• Un refroidissement incorrect peut entraîner une microstructure incorrecte.
• Les procédés de sphéroïdisation peuvent nécessiter de longs temps de chauffage.
• Toutes les méthodes d'adoucissement ne conviennent pas à tous les types d'acier.
• Dans le cas des aciers fortement alliés, il convient de tenir compte du type et de la stabilité des carbures présents ainsi que des transformations spécifiques à une nuance donnée.

L'adoucissement de l'acier ne se résume pas à un procédé unique aux paramètres universels, mais regroupe un ensemble de traitements thermiques sélectionnés en fonction de la composition chimique, de la microstructure initiale et de l'utilisation prévue du matériau. Le recuit complet, le recuit isotherme, le recuit de sphéroïdisation et le recuit de recristallisation font appel à différents mécanismes, mais leur objectif commun est d'obtenir un état du matériau plus favorable aux opérations technologiques ultérieures.

Pour les aciers à haute teneur en carbone et les aciers à outils, le recuit de sphéroïdisation est particulièrement important car il permet de modifier la morphologie des carbures et de préparer le matériau à l'usinage et à la trempe ultérieure. Dans les matériaux renforcés par écrouissage, la recristallisation est essentielle : elle élimine les effets de l'écrouissage et restaure la ductilité.
La température, la durée de maintien et la méthode de refroidissement doivent toujours être spécifiées pour chaque nuance d'acier. Ceci permet d'obtenir la microstructure requise sans croissance incontrôlée des grains, sans transformations indésirables ni détérioration des propriétés du matériau.

Méthodes de traitement thermique et thermochimique de l'acier

L'adoucissement n'est qu'un des procédés utilisés pour modifier la microstructure et les propriétés de l'acier. Selon l'effet recherché, on utilise également la normalisation, la relaxation des contraintes, la trempe, le revenu et des procédés thermochimiques tels que la cémentation et la nitruration.

méthodes de traitement thermique de l'acier

• Acier normalisé – affinement du grain et unification de la microstructure.
• Wyżarzanie odprężające – réduction des contraintes résiduelles.
• Adoucissement de l'acier – réduire la dureté et améliorer la susceptibilité aux traitements ultérieurs.
• recuit complet – austénitisation et refroidissement lent.
• recuit isotherme – transformation réalisée en maintenant une température correctement sélectionnée.
• Recuit à billes – sphéroïdisation – modification de la morphologie de la cémentite ou d’autres carbures.
• recuit de recristallisation – suppression des effets de l’écrasement et restauration de la plasticité.
• recuit d'homogénéisation – réduire la ségrégation et homogénéiser la composition du matériau.
• Trempe et traitement thermique – façonner la microstructure et les propriétés par durcissement et revenu.
• Acier trempé – modification contrôlée des propriétés de l'acier après trempe.
• durcissement par induction – Chauffage par induction de surface et refroidissement rapide.
• durcissement à la flamme – durcissement superficiel après chauffage local à la flamme.
• Sursaturation – obtention d’une solution solide sursaturée par un cycle thermique approprié.
• Vieillissement – séparation de phases contrôlée conduisant au renforcement du matériau.

Méthodes de traitement thermochimique de l'acier

• Nitruration de l'acier – enrichissement par diffusion de la couche superficielle en azote.
• Acier cémenté – enrichissement de la surface en carbone par diffusion.
• Carbonitruration – enrichissement simultané de la couche superficielle en carbone et en azote.
• Nitrocarburation / nitrocarburation – enrichissement de la couche principalement en azote et en carbone.
• Forage – saturation de la surface par diffusion du bore.
• Chromage par diffusion – enrichissement de la couche en chrome par diffusion.
• aluminisation par diffusion – enrichissement de la couche en aluminium par diffusion.