La trempe et le revenu
La trempe est une opération qui consiste à chauffer uniformément un acier à une température puis à le refroidir de façon rapide et continue. Le maintien en température doit être suffisamment prolongé pour que tous les carbures passent en solution, sans produire d'accroissement du grain de l'austénite. La vitesse de refroidissement doit être supérieure à un seuil appelé vitesse critique de trempe, marquant une discontinuité dans la loi d'abaissement du point de transformation au refroidissement, et au-delà de laquelle on obtient la suppression des structures d'équilibre de ferrite et de cémentite à basse température. Cette vitesse étant dépassée, on assiste à un rejet de ces deux constituants vers 350°C et à l'apparition de la martensite, avec un accroissement très important de la dureté.
Pour provoquer ce refroidissement rapide on utilise des fluides, dits fluides de trempe qui sont : les saumures, l'eau, les émulsions d'huiles solubles, les gaz, l'air, les sels fondus.
En général, pendant le refroidissement, le fluide de trempe est agité pour obtenir un effet de refroidissement uniforme.
Mais, pour la plupart des utilisations, la martensite est trop dure, trop fragile, et soumise à des tensions internes. Par conséquent. les aciers utilisés directement après trempe peuvent faire apparaitre des déformations et comporter des tapures. Pour éliminer ces tensions, on procède à l'opération de revenu, qui permet de contrôler exactement les propriétés mécaniques de l'acier en réduisant dans une certaine mesure sa dureté et sa résistance à la traction, mais en augmentant sa ductilité, c'est-à-dire son coefficient d'allongement et sa résilience.
Le revenu consiste à réchauffer une pièce trempée, à une température inférieure pendant un temps déterminé. La martensite se dissocie en un complexe de cémentite dispersée dans du fer alpha, pour former des globules microscopiques agglomérés. On obtient une structure sorbitique ou troostitique suivant les températures choisies. Si l'on prolonge le chauffage jusqu'à une température suffisante, on obtiendra finalement l'équilibre perlitique semblable à celui obtenu après le recuit d'adoucissement.
Les facteurs influencant les résultats du revenu sont la température et le temps. Au-delà d'une heure, les transformations sont très lentes. La vitesse de refroidissement n'a, en principe, pas d'importance, à l'exception d'un refroidissement trop brutal qui pourrait provoquer des tensions internes.
Ce sont les fours à recyclage d'air qui permettent d'obtenir le chauffage le plus rationnel pour les opérations de revenu, mais on utilise également les bains d'huile et de sels.
Les différents procédés de trempe
Les divers procédés de trempe permettent d' obtenir des résuItats différents, en faisant varier la vitesse de refroidissement et la rapidité de la transition au point de transformation.
La trempe normale: c'est le procédé le plus couramment employé pour la trempe des aciers et de leurs alliages. Les pièces sont immergées complètement dans le fluide de trempe et sont retirées après refroidissement, à une température voisine de celle du bain. Le fluide est soumis à une agitation permanente pour assurer une trempe uniforme dans toutes les parties des pièces. Les pièces peuvent également être agitées, selon la disposition de l'installation,
La trempe partielle: consiste à chauffer seulement la partie de la pièce qui doit subir la trempe, et immerger ensuite la totalité de cette pièce dans le bain de trempe. On peut chauffer aussi entièrement la pièce et ne tremper que la partie à durcir; dans ce cas il convient de communiquer à la pièce un mouvement vertical, de manière à obtenir un refroidissement progressif au-dessus de la limite de la partie à tremper.
L'hypertrempe: les aciers austénitiques dont la structure ne change pas, aussi bien par chauffage que par refroidissement, ne « prennent » pas la trempe. Le procédé d'hypertrempe permet d'adoucir ces aciers et consiste à chauffer les pièces vers 1100 °C. Le refroidissement doit être rapide pour éviter la précipitation des carbures vers 600 à 800 °C. Il est donc effectué en général à l'eau. L'huile est utilisée comme fluide de trempe pour les aciers à forte teneur en nickel. Cette technique est appliquée plus particulièrement au traitement des aciers inoxydables et des aciers ferromanganèse, pour permettre d'effectuer un usinage ultérieur ou maintenir - ou remettre - en solution dans l'austénite, les carbures dont la précipitation dans les espaces inter-grains favoriserait la corrosion cristalline.
La trempe en deux phases: peut se pratiquer suivant deux méthodes distinctes.
Méthode 1- L'installation comporte à la partie inférieure du bac de trempe une charge d'eau 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 maintenues pendant un temps plus ou moins long, et subissent ainsi un premier refroidissement. Puis, dans un deuxième temps, les pièces sont immergées plus profondément pour passer au contact de l'eau. Ce procédé permet d'obtenir une trempe adoucie sur des aciers sensibles aux déformations et aux tapures, mais qui accuseraient une dureté insuffisante en subissant seulement une trempe à l'huile.
Méthode 2 - L'installation comporte à la partie inférieure du bac une charge d'huile spéciale, de densité supérieure à celle de l'eau et à la partie supérieure, une nappe d'eau. Ce procédé est appliqué lorsque l'obtention de très grandes duretés exige une courte période de refroidissement énergique et immédiat suivie d'une phase de détente dans l'huile.
La trempe au jet: ce procédé convient particulièrement à la trempe de pjèces compliquées, de sections très différentes. Pendant l'opération, le jet est dirigé sous pression sur les masses les plus importantes de la pièce, au centre des surfaces, pour obtenir un équilibre rapide entre les différentes parties de celle-ci: arêtes, faibles et fortes épaisseurs, afin d'éviter les déformations et les tapures. On utilise souvent ce procédé pour la trempe à l'huile de cylindres creux de petit diamètre, l'huile sous pression étant projetée énergiquement à l'intérieur de l'alésage, ce qui permet d'obtenir des surfaces extrêmement dures.
Les différents procédés de revenu
Dans la plupart des procédés de revenu, on place la pièce froide dans un four, ou on l'immerge dans un bain qui est déjà porté à la température requise. Pour certains aciers, le changement brusque peut créer des contraintes internes, d'une part à cause du gradient de température de la surface au noyau, d'autre part par suite de la contraction de la martensite chauffée. Le changement peut être brutal, aussi les techniques de chauffage varient suivant les cas.
Dans certains cas délicats, le bain et l'acier sont froids au départ et on les chauffe ensemble; on peut utiliser un four à air chaud à circulation forcée, dans lequel la chaleur émise par les résistances électriques est absorbée lentement et progressivement par l'acier, même si la température de revenu est très élevée.
Si l'on choisit le procédé d'immersion dans un bain. le choix du fluide est dicté par la température de revenu. Pour des températures inférieures à 280 °C environ, on utilise les huiles minérales. Pour des températures supérieures à 280 °C et s'échelonnant jusqu'à 6500 C. on utilise les sels fondus, le plomb fondu, ou un four électrique à circulation d'air. Les bains de sels doivent toujours être employés à une température un peu supérieure à celle de leur point de fusion, car, lors de l'immersion de la pièce dans le liquide, il se produit un abaissement de température qui provoque un dépôt de sel cristallin sur la pièce, ce dépôt disparaissant dès que la pièce a pris la température du bain.