Qu'est-ce que la trempe ? Refroidissement rapide : processus, avantages et inconvénients

La trempe est un traitement thermique et l'un de nos procédés phares chez HDCMfg. Elle consiste à refroidir rapidement un métal chaud pour fixer ses atomes. La trempe transforme l'austénite en martensite dure, créant ainsi un matériau doté d'une résistance exceptionnelle. 

Que vous soyez un métallurgiste de longue date ou un débutant, lisez la suite pour tout savoir sur le processus de trempe. 

Qu'est-ce que la trempe ?

La trempe est un procédé de traitement thermique conventionnel qui améliore la dureté et la résistance. Les métaux couramment trempés comprennent la fonte, l'acier moulé et métaux ferreux. 

Pour effectuer la trempe, 

• Tout d’abord, chauffez votre acier à la température critique. 
• Ensuite, maintenez-le à cette température pendant un certain temps pour l'austénitiser. 
• Après cela, vous pouvez refroidir rapidement l'acier dans de l'huile, de l'air ou de la saumure, idéalement en dessous de Ms. 

Effets de la trempe sur les propriétés des métaux

La trempe a pour objectif principal d'améliorer la dureté et la résistance. Lorsque le matériau est porté à la température critique, une austénisation partielle ou totale se produit. 

Cependant, grâce à un refroidissement rapide, l'austénite ne se transforme pas en ferrite ou en perlite. Elle se transforme alors en martensite, ce qui donne un métal très dur et très cassant. 

Avantages :

La trempe offre de nombreux avantages aux métallurgistes. Parmi ceux-ci :

• Dureté: Grâce à la formation de martensite, la trempe rend votre métal très dur. La dureté est un facteur essentiel pour les composants et outils résistants à l'abrasion, tels que les roulements et les jeux d'outils. 
• Résistance à l'usure : La trempe améliore la résistance à la traction et la limite d'élasticité de votre acier. Le refroidissement rapide bloque les atomes dans une structure réticulaire déformée. Les dislocations auront alors du mal à se déplacer. 
• Limite d'élasticité : Dans la fabrication, la trempe est appliquée aux ressorts pour augmenter leur limite d'élasticité. 

Inconvénients : 

Les inconvénients du durcissement par trempe sont les suivants

• Contrainte résiduelle : Contraintes résiduelles Des ions peuvent s'introduire dans votre métal lors de la trempe. En raison d'une vitesse de refroidissement irrégulière, la surface se refroidira et se contractera plus rapidement que l'intérieur, provoquant ainsi des contraintes de traction et de compression.

Si vous ne gérez pas ce risque, votre application risque de se déformer ou de se fissurer. Consultez votre fournisseur pour connaître les meilleures techniques de post-trempe afin d'atténuer ce problème. 

• Ductilité: Bien que le durcissement par trempe améliore la résistance et la dureté, il entraîne une perte de ductilité du métal. Comme le métal est fragile, il devient plus sujet aux fissures sous contrainte.

C'est pourquoi nous suivons la trempe par un revenu. Le revenu réduit la fragilité sans entraîner de perte de résistance. 

Choisir un milieu de trempe

Il existe plusieurs méthodes et techniques de trempe. Chacune d'entre elles influence significativement les propriétés finales du matériau fini. Découvrons les milieux courants de trempe des métaux et leurs inconvénients.

Eau

L'eau est une méthode de trempe agressive, car elle offre la vitesse de refroidissement la plus rapide. Ce mécanisme de refroidissement rapide est adapté lorsque la dureté et la résistance sont essentielles. Cependant, si les procédures appropriées ne sont pas respectées, le métal risque de se fissurer et de se déformer. 

Huile

La trempe à l'huile est plus lente et mieux contrôlée que la trempe à l'eau. Elle est donc considérée comme une méthode sûre pour prévenir la fissuration et la déformation du métal.  

La trempe à l'huile est idéale pour obtenir un équilibre parfait entre dureté et résistance. Grâce à son procédé de refroidissement unique, elle confère également à votre métal un excellent état de surface.

Air

L'air est le moyen de trempe le plus économique. Il consiste à chauffer l'acier, puis à le laisser refroidir lentement à l'air. Étant le moyen de trempe le plus lent, l'air minimise les risques de fissures et de contraintes thermiques. Il est donc idéal pour les aciers exigeant une ténacité exceptionnelle et une dureté modérée. 

Une autre forme de trempe à l'air utilise de l'air comprimé. Cette méthode permet de mieux contrôler la température et la vitesse de refroidissement.  

Saumure

Le sel 10% est ajouté à l'eau pour former une saumure. Cette forme de trempe est moins courante que celle à l'eau, à l'air ou à l'huile. Cependant, elle offre un refroidissement supérieur, encore plus rapide que celui à l'eau. 

Il est important de noter que la saumure est corrosive. Il est donc impératif de la rincer abondamment une fois le travail terminé. 

Trempant à base de polymère

Les polymères ne sont pas un agent de trempe, mais plutôt un additif de trempe. Leur vitesse de refroidissement est légèrement supérieure à celle de l'huile, mais plus lente et moins corrosive que celle de l'eau. 

Les polymères sont inversement solubles dans l'eau. Cela signifie qu'ils se séparent de l'eau au début d'une trempe. Grâce à cet effet, une solution polymère se forme autour du métal, permettant un échange thermique plus contrôlé.  

Matériaux courants trempés

Vous trouverez ci-dessous les matériaux courants qui sont trempés :

Acier 

Le métal le plus couramment trempé est l'acier. Grâce à sa forte teneur en carbone, la trempe transforme l'austénite en martensite, améliorant ainsi sa dureté et sa résistance. 

Alliages d'aluminium, de titane et de cuivre 

Certains alliages de titane peuvent subir une trempe. Cette méthode est utile pour les projets où le rapport pondéral est un facteur déterminant, notamment dans les secteurs de la défense, de l'aérospatiale et de l'automobile. Il en va de même pour certains alliages d'aluminium. Vous pouvez soumettre ces alliages à une trempe pour améliorer leurs performances. 

Avant d'aller plus loin, il est important de comprendre que la trempe a un effet inverse sur la plupart des alliages non ferreux. Au lieu de durcir, ces métaux se ramollissent lors de la trempe. On peut citer à titre d'exemple les nuances de cuivre, d'aluminium et d'aciers inoxydables austénitiques tels que 304. 

Traitement post-trempe

Outre l'augmentation de la dureté, la trempe rend l'acier plus cassant. Sans revenu, certains aciers deviennent trop cassants pour être travaillés.

C'est là qu'interviennent les traitements post-trempe. Des techniques telles que la trempe, la trempe martienne et la trempe austemper affinent davantage votre métal, produisant un équilibre entre ductilité et résistance. 

Trempe : 

Une fois la trempe effectuée, vous pouvez tremper votre métal pour contrôler l'excès de dureté. Trempe Il s'agit de chauffer le métal et de le maintenir à une température inférieure au point critique. Le métal peut ensuite être refroidi à température ambiante. 

Techniques de trempe avancées :

Grâce à des techniques de trempe avancées, l'acier est trempé à une température supérieure à Ms (température initiale de la martensite). Il est ensuite maintenu pour former de la bainite pure ou pour relâcher les contraintes internes. Explorons ces techniques : 

MartemperingLa trempe martensitique, également appelée trempe par paliers, réduit les contraintes obtenues lors de la trempe. Elle peut être réalisée en chauffant l'acier au-delà de la plage critique, puis en le trempant entre 150 °C et 300 °C.

Maintenez ensuite la température au-dessus de Ms (point de départ de la martensite) jusqu'à ce qu'une température uniforme soit atteinte dans l'acier. Vous pouvez ensuite refroidir le métal à température ambiante, puis effectuer un revenu régulier. 

TempérageLa trempe australe est une technique post-trempe qui réduit la déformation du métal. Elle est essentiellement identique à la trempe et au revenu classiques. La principale différence réside dans le maintien prolongé du métal à la température de trempe. 

Applications de la trempe

Le processus de trempe augmente la dureté et la résistance. Grâce à ces propriétés, l'acier trempé est largement utilisé dans les industries où la durabilité et la résistance sont des facteurs importants. Parmi ces facteurs, on peut citer :

• Fabrication d'outils : Pensez aux couteaux, lames de cisailles et forets du quotidien. Ces outils supportent des contraintes cycliques ; ils doivent donc être robustes et ductiles. 
• Militaire: Les fabricants de matériel de défense utilisent de l’acier trempé pour créer des pièces d’armes à feu, des plaques de blindage et des composants d’avions.  
• Outils à main : L'acier trempé est utile pour créer des outils agricoles durables, des clés, des tournevis et d'autres outils.

Considérations relatives à la sécurité, aux coûts et à la pratique

La trempe est un processus simple en surface. Vous chauffez le matériau à une température critique, puis le refroidissez rapidement pour le durcir.

Cependant, les procédés mécaniques mis en œuvre sont très spécifiques. Il est donc préférable de faire appel à des métallurgistes certifiés pour déterminer les températures et la méthode de refroidissement appropriées à votre application. 

Cela étant dit, il y a des considérations clés en matière de sécurité et de coût à prendre en compte. 

• Équipement: Un bassin de trempe est un bassin dédié au refroidissement du métal. Quelle que soit sa taille, il doit être capable de maintenir les températures de refroidissement dans une plage étroite. Dans le cas contraire, vous risquez de ne pas obtenir les propriétés mécaniques souhaitées. 
• Écoulement de trempeL'écoulement désigne la vitesse à laquelle le liquide de trempe se déplace sur le métal. Sans lui, le liquide de trempe se transformera en vapeur. Pour éviter l'ébullition, maintenez l'écoulement du liquide de trempe et laissez suffisamment d'espace entre les pièces métalliques pour favoriser un écoulement régulier. 
• Risques pour la sécuritéLes agents d'extinction à base d'huile peuvent s'enflammer en cas de surchauffe ou d'exposition à des étincelles. Par conséquent, les extincteurs et les systèmes d'extinction d'incendie sont obligatoires dans les installations professionnelles.
• VitesseSi trop de temps est perdu entre le four et la cuve, votre métal risque de redevenir de la perlite, ce qui signifie que votre chauffage est gaspillé. 
• FraisL'eau est le moyen de trempe le moins cher. Il faut savoir qu'elle présente le risque le plus élevé de déformation et de fissuration. L'huile, en revanche, offre un meilleur contrôle des propriétés du matériau. Cependant, elle est plus coûteuse et présente un risque d'incendie. 

Enfin, les agents de trempe polymères offrent la plus grande flexibilité en termes de taux de refroidissement. Cependant, ils sont coûteux et nécessitent un entretien régulier.

• Corrosion et déversementsLes produits de trempe à base d'eau ou de saumure peuvent provoquer la formation de rouille sur les équipements à proximité. De plus, les huiles déversées peuvent endommager les sols et augmenter les risques de glissade.

Conclusion

En conclusion, la trempe est un moyen exceptionnel d'améliorer les performances de votre métal. En transformant l'austénite en martensite, la trempe produit un métal très dur et très cassant. 

Enfin, il est préférable de consulter experts en traitement thermique pour garantir les meilleurs réglages pour votre projet. Les différents métaux réagissant différemment à la trempe, il n'y a pas de place pour l'erreur. Le non-respect des consignes spécifiques aux alliages peut entraîner des erreurs coûteuses.