Présentons le processus de traitement thermique de l'acier de construction au carbone.
Le cœur du processus de traitement thermique de l'acier de construction au carbone consiste à ajuster la microstructure interne (telle que la ferrite, la perlite, la martensite, etc.) de l'acier en contrôlant les processus de chauffage, de maintien et de refroidissement, optimisant ainsi ses propriétés mécaniques (résistance, dureté, ductilité et ténacité) pour s'adapter à différentes applications. Étant donné que l'acier de construction au carbone a une teneur extrêmement faible en éléments d'alliage (contenant uniquement des éléments de base tels que C, Si et Mn, avec peu ou pas d'autres éléments d'alliage), ses processus de traitement thermique se caractérisent par leur simplicité, leur économie et leur renforcement ciblé. Ils sont principalement classés en deux types principaux : le traitement thermique en vrac et le traitement thermique de surface. Ce qui suit est une introduction détaillée à ces types de processus courants :
1. Traitement thermique en vrac : modification de la microstructure globale et des propriétés de l'acier
Le traitement thermique en vrac consiste à chauffer, maintenir et refroidir l’ensemble du matériau en acier. Il convient aux pièces nécessitant des propriétés mécaniques globales optimisées (telles que les arbres, les engrenages, les boulons, etc.). Les procédés de traitement thermique en vrac les plus couramment utilisés pour l'acier de construction au carbone comprennent le recuit, la normalisation, la trempe et le revenu.
2. Traitement thermique de surface : renforce uniquement la surface en acier, en maintenant la ténacité du noyau
Le traitement thermique de surface de l'acier de construction au carbone est principalement destiné aux applications nécessitant une dureté/résistance à l'usure élevée sur la surface tout en conservant la plasticité/ténacité du noyau (par exemple, engrenages et vilebrequins). Puisqu’il ne contient aucun élément d’alliage, le renforcement de la surface repose sur un ajustement de la composition de la surface ou sur un chauffage et un refroidissement rapides de la surface. Les processus courants incluent la cémentation et la cémentation (pour l'acier à faible -carbone).
1. Durcissement de surface (durcissement de surface par chauffage par induction à haute-fréquence/moyenne-fréquence)
Principe de base : à l'aide d'un courant d'induction à haute -fréquence (100-500 kHz) ou moyenne fréquence (500 Hz-10 kHz), la surface de l'acier est rapidement chauffée au-dessus de Ac3 (la température à cœur reste inférieure à Ac1, préservant ainsi la microstructure d'origine). Ceci est suivi d'un refroidissement immédiat par pulvérisation d'eau, obtenant une « surface durcie tout en conservant un noyau mou ». Caractéristiques du processus :
Vitesse de chauffage rapide (quelques secondes à plusieurs dizaines de secondes), petite zone affectée par la chaleur (durcissement de la surface uniquement de 0,5 à 5 mm), déformation minimale de la pièce ;
Aucun changement dans la composition chimique de la surface n'est requis, renforçant la surface uniquement par une transformation de phase rapide ;
Applicable à l'acier au carbone moyen-(tel que l'acier 45# et l'acier 50#) ; la trempe superficielle de l'acier à faible -carbone est moins efficace (la couche durcie a une faible dureté).
Applications : tourillons principaux de vilebrequin, surfaces de dents d'engrenage, guides de machines-outils et autres pièces nécessitant une résistance à l'usure de surface et une résistance aux chocs du noyau.
2. Cémentation et trempe (spécialisées pour l'acier de construction à faible-carbone)
Principe de base : L'acier à faible-carbone (tel que l'acier Q235 et 20#) a une faible teneur en carbone (inférieure ou égale à 0,25 %) et ne peut pas atteindre une dureté élevée par trempe directe. Au lieu de cela, la cémentation est nécessaire pour augmenter la teneur en carbone de la surface à 0,8 % -1,2 % (formant une couche superficielle à haute teneur en carbone-). Ceci est suivi d'une trempe et d'un revenu à basse température-, pour finalement obtenir une "surface très dure et résistante à l'usure-avec un noyau à faible teneur en carbone, souple et résistant". Processus typique :
Cémentation : placez la pièce dans un four de cémentation (en utilisant un moyen de carburation tel que le gaz naturel ou le propane) et maintenez-la à 900-950 degrés pendant 4 à 10 heures pour permettre aux atomes de carbone de pénétrer dans la surface.
Trempe : Après carburation, refroidir directement à 820-850 degrés, maintenir, puis tremper dans l'eau ou l'huile (pour former de la martensite à la surface).
Faible-revenu : maintenir à 150 - 200 degrés pendant 1 à 2 heures pour éliminer les contraintes de trempe et stabiliser la dureté de la surface.
Performances et applications : la dureté de la surface peut atteindre HRC58-62 (haute résistance à l'usure), tandis que la dureté du noyau est inférieure ou égale à 250HB (haute ténacité). Convient aux pièces sujettes aux chocs et à l'usure superficielle (telles que les engrenages de transmission et les fourches à cardan). III. Considérations clés pour le traitement thermique de l'acier de construction au carbone
Mauvaise trempabilité : éviter de tremper les grandes sections :
L'acier de construction au carbone ne contient pas d'éléments d'alliage (tels que Cr, Ni et Mo), ce qui entraîne une trempabilité extrêmement faible. Seules les pièces de petite section-(telles qu'un arbre en acier 45# d'un diamètre inférieur ou égal à 20 mm) peuvent être entièrement durcies par trempe à l'eau. La trempe de pièces de grande-section peut facilement former une "structure non-martensitique" (telle que la perlite) dans le noyau, conduisant à des propriétés internes et externes inégales et même à des fissures. Par conséquent, les pièces de grande-section sont souvent traitées par "normalisation" ou par "revenu à haute-température" au lieu d'une trempe. Différences de traitement entre les aciers à faible-carbone et à moyen-carbone :
Acier à faible-carbone (C inférieur ou égal à 0,25 %, tel que Q235 et 20#) : a une bonne plasticité mais une faible résistance. Il ne s’éteint généralement pas seul. Le recuit/normalisation est utilisé pour améliorer la maniabilité, ou la carburation et la trempe sont utilisées pour renforcer la surface.
Acier au carbone moyen-(C=0.25%-0,6 %, tel que 45# et 55#) : il convient principalement à la trempe et au revenu. L'équilibre « dureté-ténacité » peut être obtenu en ajustant la température de revenu. C'est un matériau de base pour les pièces mécaniques.
Sélection du milieu de refroidissement :
La vitesse de refroidissement détermine directement la qualité de la trempe :
Trempe à l'eau : vitesse de refroidissement rapide, adaptée à l'acier au carbone moyen- (tel que 45#), peut atteindre une dureté élevée, mais est sujette à des contraintes internes (qui nécessitent un revenu rapide pour être éliminées).
Trempe à l'huile : une vitesse de refroidissement plus lente que l'eau, adaptée aux pièces avec des sections transversales légèrement plus grandes, peut réduire le risque de fissuration, mais a une dureté légèrement inférieure à celle de la trempe à l'eau.
Refroidissement par air/refroidissement du four : utilisé uniquement pour le recuit et la normalisation, pas pour la trempe. La réduction du stress est essentielle :
Les contraintes résiduelles subsistent dans les pièces après trempe et soudage. Si elles ne sont pas soulagées, ces pièces sont susceptibles de se déformer et de se fissurer pendant le traitement ou l'utilisation. Par conséquent, un revenu à basse température (après trempe) ou un recuit de détente (après soudage) est nécessaire pour libérer ces contraintes et stabiliser les dimensions des pièces.
Résumé
Le processus de traitement thermique de l'acier de construction au carbone se concentre sur un faible coût et une application ciblée. Le recuit/normalisation permet d'obtenir un ramollissement, un soulagement des contraintes et une maniabilité améliorée ; la trempe et le revenu améliorent les propriétés mécaniques ; et la trempe/carburation du carter permet d'obtenir une différenciation des performances de la surface-à-cœur. Dans les applications pratiques, le processus approprié doit être sélectionné en fonction de la teneur en carbone de l'acier (faible teneur en carbone/carbone moyen), des dimensions de la section transversale de la pièce-et des exigences d'application (résistance à l'usure/résistance aux chocs/facilité d'usinage) pour maximiser la rentabilité-de l'acier de construction au carbone.