Chapitre 3 : ANALYSES
3.4. L’analyse des traitements thermiques
Commençons par le traitement d’austénitisation.
3.4.1.1. Le traitement d’austénitisation
Ce traitement thermique a pour but de mettre en solution tout le carbone présent dans l’alliage. Nous avons vu que :
le carbone est l’élément essentiel qui confère la dureté aux aciers,Page | 71
la solubilité du carbone est importante dans la phase austénitique (2 %), contrairement à ce qu’il en est dans la phase ferritique (0,02%) [22].Ainsi, il est nécessaire d’élever la température de manière à permettre la remise en solution du carbone au cours de la transformation de la phase ( en phase + (austénite).
3.4.1.1.1. La montée en température
La montée en température du matériel de chauffage doit se faire avec les pièces à traiter pour une répartition uniforme de la température dans toute la pièce (la surface comme le cœur).
Sur la fiche technique du fournisseur, le traitement d’austénitisation du TSP4, comporte trois paliers de préchauffage. Mais de façon pratique, qu’est-ce-que cela signifie et quel est son intérêt ?
Pratiquement, un palier de préchauffage correspond à une température inférieure à la température d’austénitisation à laquelle il faut s’arrêter et chauffer la pièce pendant un temps donné, avant de poursuivre la montée en température. Son intérêt ?
Il permet réduire voire d’annuler le gradient thermique (entre la pièce et l’enceinte du four) causé par la rapidité du chauffage. C’est ce qui se fait généralement lorsque la température d’austénitisation est élevée.
Deux températures caractéristiques définissent les transformations dans les aciers : ce sont les températures de début et de fin de formation de l’austénite [44]. Pour assurer une mise en solution complète du carbone, on augmente généralement les températures. Pour l'austénitisation des aciers fortement alliés et des aciers rapides, on utilise 1 050 − 1 300° comme température de début
Page | 72 et de fin de formation austénitique. Bien entendu, plus fortement les aciers sont alliés mieux leur température de fin se rapproche de 1 300° .
Le TSP4 est un acier rapide de températures 4A = 1 050° et 4* =1 230°
(tableau 2.4).
La température maximale utilisée à TransAcier pour les traitements thermiques ne dépasse pas 1 050°. Quelles conclusions ressortent de tout ce qui précède ? D’abord, il faut simplement retenir que la première étape du traitement d’austénitisation est très infidèle à la fiche technique du fournisseur et au principe même de l’austénitisation. On peut donc déjà, s’attendre à des performances mécaniques médiocres. Maintenant, allons dans les détails.
Pour faire le préchauffage, les techniciens procèdent respectivement de la façon suivante :
Première préchauffe
Démarrage du four + montée à la température de 490°, insertion des pièces dans le four + maintien pour une heure, refroidissement jusqu’à température ambiante à l’huile (gas-oil).
Deuxième préchauffe
Démarrage du four + montée à la température de 850°, insertion des pièces dans le four + maintien pour une heure, refroidissement jusqu’à température ambiante à l’huile (gas-oil).
Troisième préchauffe
Démarrage du four + montée à la température de 1 050°, insertion des pièces dans le four + maintien pour une heure,
Page | 73 refroidissement jusqu’à température ambiante à l’huile (gas-oil).
Cette façon de préchauffer les pièces non seulement est très inexacte, mais aussi occasionne des consommations énergétiques inutiles. Evaluons cette perte. Le temps total de chauffage inutile est supérieur à onze (11) heures. Nous considèrerons néanmoins ce temps pour le calcul.
La puissance électrique du four est de 21 BC. Le four étant purement résistif, l’énergie gaspillée DE est :
DE = 21 × 11 = 231 BCℎ. En supposant 65 G,!H; le prix du BCℎ, on a une dépense I = 231 × 65 = 15 015 G,!H;.
En résumé, 15 015 G,!H; sont au moins gaspillés à chaque traitement thermique des couteaux.
L’insertion des pièces dans le four est tout aussi inadéquate.
Le fait d’introduire les pièces à températures élevées dans le four, provoque des chocs thermiques qui engendrent des déformations et des tapures [33] dans la structure de la pièce. En effet, les chocs thermiques engendrent des hétérogénéités de température dans la pièce. Si les gradients de température sont élevés (comme c’est le cas ici), les contraintes créées par ces hétérogénéités peuvent devenir suffisamment importantes pour provoquer des déformations plastiques irréversibles locales, qui conduisent alors à des distorsions de la pièce [49]. Cela a un impact négatif sur les structures internes, et par ricochet sur les propriétés mécaniques.
La température maximale limite que peut atteindre le four a également une influence très néfaste à l’obtention des propriétés optimales recherchées.
La loi de transformation s’exprime ainsi : pour un bon traitement d’austénitisation, il est indispensable que le point critique correspondant à la fin
Page | 74 de la transformation à l’échauffement soit dépassé (4*), que la température soit telle que le fer se trouve totalement à l’état stable à chaud et contienne le carbone dissous et uniformément réparti dans toute la masse.
Pour le TSP4, 4A = 1 050°, correspond au début de la transformation de la phase ( en + : c’est le début de la formation austénitique. D’après le tableau 2.4, la fin de la transformation (en vertu des performances que nous recherchons) aura lieu à 6 = 1 230°. Or la température maximale qu’atteint le four est 6JK = 1 050°. Conséquence ?
Moins de carbone dissous, très faibles formations martensitiques, donc baisse considérables de performances.
3.4.1.1.2. Le maintien en température
Le maintien, à la température nécessaire d’austénitisation doit assurer le chauffage de la pièce jusqu’au cœur et l'achèvement des transformations de phases, sans être trop long pour ne pas provoquer le grossissement des grains (qui diminue la dureté finale) et la décarburation des couches superficielles à l'air [11]. La problématique consiste donc à imposer à la pièce un maintien en température pour permettre une bonne homogénéisation de l’austénite et la dissolution des carbures présents.
La durée totale de chauffage 6L = 6M + 6NO dépend de :
6M : durée d'échauffement à cœur jusqu'à la température demandée. Elle dépend de la forme des pièces et des dimensions, de la nuance de l'acier, du type de four, etc. 6NO : durée de séjour isotherme qui dépend de la composition et de l'état initial de l'acier.Page | 75 A TransAcier, le maintien à la température d’austénitisation dure une heure16. Ce temps de maintien ne figure pas sur la fiche technique du fournisseur, et n’a été motivé par aucune étude. Il est purement et simplement choisi au hasard.
Dans la pratique pour déterminer 6L, on se réfère aux données expérimentales.
Le tableau 3.2 donne quelques indications. Nous déterminerons ici la plus petite et la plus grande durée de maintien.
Tableau 3.2 : durée du maintien de la température d’austénitisation en fonction de l’épaisseur des pièces à traiter [11].
La plus grande durée de maintien ira avec la pièce ayant la plus grande épaisseur, et la plus petite avec la pièce de petite épaisseur. Les couteaux sont des pièces prismatiques qui peuvent être considérés rectangulaires dans le cadre de ce calcul sans trop d’imprécision.
Le four utilisé est un four électrique.
la plus grande épaisseur est ℮ = 28 . Donc on a une durée de maintien 6NO 7 67,5 ∗ ℮ 7 67,5 ∗ 28 7 31 !:R; 30 ;H-!I;.
la petite épaisseur est ℮ 7 11 . 6NO 7 67,5 ∗ ℮ 7 67,5 ∗ 11 7 12 !:R; 23 ;H-!I;
16 D’ailleurs, le maintien en température dure une heure pour le traitement thermique des mâchoires et poinçons.
Page | 76 Mais ici, il n’aura pas de décarburation à cause de la température 4* du TSP4 (1 230°), qui est loin d’être dépassée. Ici, on a plutôt une consommation énergétique de trop.
Qu’en est-il du refroidissement ?
3.4.1.2. Le refroidissement
Le but du refroidissement est de transformer l’austénite en martensite ou bainite (selon les propriétés envisagées), plus durs. Pour les aciers à outils en général, et pour les aciers rapides en particulier, il se fait assez rapidement et doit être interrompu avant d’atteindre la température ambiante (vers 50 − 70°) [24]
puis faire revenir immédiatement [55].
Pour atteindre les plus hautes duretés avec le TSP4, le fournisseur du matériau indique : « le refroidissement doit être effectué avec une vitesse de 7°/;H. Minimum. Si cette condition n’est pas atteinte, les duretés seront inférieures ».
A TransAcier, les deux conditions ci-dessus indiquées ne sont pas respectées.
En effet, une vitesse de refroidissement de 7°/;H, équivaut à un temps de refroidissement total de 150 ;H-!I; soit, 2 !:R; 30 ;H-!I;. Or le temps moyen de refroidissement, effectué dans du gas-oil jusqu’à température ambiante, total obtenu par les techniciens tourne autour de deux heures soit approximativement une vitesse de 0,15°/;H : c’est un refroidissement très lent qui limite la formation de la martensite.
Aussi, les couteaux sont refroidis jusqu’à température ambiante, laissés pendant un temps donné avant d’être revenu.
Page | 77 Récapitulons
Du préchauffage au refroidissement, en passant par l’austénitisation et la trempe, aucune des opérations effectuées n’est conforme au principe du traitement thermique d’un acier rapide.
3.4.1.3. Le revenu
Une fois la formation de la martensite terminée, la structure est très dure et cassante. Pour arriver à un état intermédiaire correspondant à une perte modeste de dureté, pour une résilience et ductilité augmentées, on conduit un traitement de revenu qui selon la température engendre différents changements [47]. Les conditions de ces transformations influent beaucoup sur la microstructure finale et donc sur les caractéristiques mécaniques [2].
Le principe du revenu des aciers rapides veut que les pièces à revenir, soient revenues le plus rapidement possible après le refroidissement avec une montée en température simultanée avec le matériel de chauffage, et ce à partir de la température à laquelle le refroidissement est arrêté (vers 50 − 70°).
A TransAcier, les pièces sont refroidis jusqu’à température ambiante, entreposées puis introduites dans le four vers 550-560°C, ce qui veut dire que leur montée en température n’est pas simultanée avec la montée en température du four.
La température d’austénitisation réalisable avec les fours courants à TransAcier est de 1 050°. Supposons maintenant que les traitements thermiques effectués jusqu’ici (avant le revenu) soient corrects. En vertu du fait que nous voulons atteindre les performances maximales du TSP4, les techniciens doivent réaliser le revenu vers 520-535°C. Pourquoi ?
Page | 78 D’après la figure 2.7, la capacité de durcissement17 [43] envisageable dépasse très légèrement 60STU18. Les techniciens réalisent le revenu vers 550-560°C. Le revenu vers ces températures signale une dureté inférieure à 59STU (figure 2.7).
Les températures du revenu sont donc mal choisies. Or la supposition ci-dessus faite est erronée. Cela indique donc que la dureté obtenue après revenu est bien plus inférieure que celle signalée.
Mais la dureté n’étant pas la seule propriété recherchée, intéressons-nous à l’impact des conditions de traitement sur les propriétés mécaniques telles la résistance à l’usure et la ténacité.
En recourant au tableau 2.4, qui décrit les conditions de traitements pouvant conférer aux TSP4 des propriétés de résistance à l’usure et de ténacité, on s’aperçoit que les propriétés citées ne sont pas obtenues, les conditions y aboutissant n’étant pas respectées !
Synthèse n°1
Le traitement thermique effectué sur les couteaux est inadéquat.
3.4.2. Cas des mâchoires
3.4.2.1. Le traitement d’austénitisation
Nous avons déjà vu que ce traitement thermique permet de mettre en solution tout le carbone présent dans l’alliage, et que la dureté finale dépend de la teneur en carbone à haute température.
17 Il faut entendre par là, la valeur maximale de la dureté que l’on peut obtenir par un traitement de durcissement par trempe dans des conditions idéales.
18 La capacité de durcissement dépend des conditions dans lesquelles se font les traitements thermiques. A TransAcier, la capacité de durcissement est la valeur indiquée. Il ne faut pas confondre cette valeur, avec la capacité de durcissement intrinsèque du matériau déterminée par les concepteurs de matériaux. Pour le TSP4, par exemple, cette valeur est de 65HRC.
Page | 79 3.4.2.1.1. La montée en température
A 1 050°, les mâchoires sont introduites dans le four.
Le fait d’introduire les pièces à températures élevées dans le four, provoque des chocs thermiques qui engendrent des déformations et des tapures [33] dans la structure de la pièce. En effet, les chocs thermiques engendrent des hétérogénéités de température dans la pièce. Si les gradients de température sont élevés (comme c’est le cas lors de l’insertion des pièces), les contraintes créées par ces hétérogénéités peuvent devenir suffisamment importantes pour provoquer des déformations plastiques irréversibles locales, qui conduisent alors à des distorsions de la pièce [49]. Cela a un impact négatif sur les structures internes.
3.4.2.1.2. Le maintien en température
Le maintien, à la température nécessaire d’austénitisation doit assurer le chauffage de la pièce jusqu’au cœur et l'achèvement des transformations de phases, sans être trop long pour ne pas provoquer le grossissement du grain (qui diminue la dureté finale) et la décarburation des couches superficielles à l'air [11].
Dans le cas des mâchoires, nous avons deux types de trempes qui correspondent à différentes températures d’austénitisation :
− la trempe standard, et
− la trempe secondaire.
1 050° et 1 080°, correspondent respectivement aux températures AC3 de la trempe standard et de la trempe secondaire. Compte tenu de la température maximale atteinte par le four avec le temps de maintien (une heure), on peut dire
Page | 80 que c’est la trempe standard qui est faite. Pour cette trempe, la durée de maintien maximale est de quarante minutes trente secondes19 (40 !30;).
Mais comme dans le cas des couteaux, on n’aura pas un grossissement de grain à cause de la température 1 050° qui correspond à la température 4A pour la trempe secondaire. Néanmoins, une consommation énergétique exagérée en résulte.
3.4.2.2. Le refroidissement
Le refroidissement jusqu’à température ambiante des mâchoires survient après deux heures trente minutes (2S30 !) et se fait à l’air libre. Après refroidissement, on observe la calamine sur les mâchoires, signe extérieur évidente d’une décarburation (figure 3.1).
En outre, la figure 3.2, indique que la dureté des mâchoires après refroidissement tourne autour de 623SV soit 55,8STU20 : c’est une valeur qui vient corroborer l’inexactitude des traitements thermiques.
3.4.2.3. Le revenu
Supposons maintenant que les traitements thermiques effectués jusqu’ici (avant le revenu) soient corrects. En vertu du fait que nous voulons atteindre les performances maximales du THYRODUR 2379, les techniciens doivent réaliser le revenu à 100°C. La raison ?
Le tableau 2.7 indique que pour un revenu effectué à 100°C, on a une dureté de 63STU: c’est la capacité de durcissement du matériau. Les techniciens réalisent
19 Cette valeur est calculée en tenant de l’épaisseur de la plus grande mâchoire avec les données du tableau 3.2
20 Contre 791HV soit 63HRC, capacité de durcissement déterminée par le fournisseur.
Page | 81 le revenu à 300°C. A cette température, le revenu donne une dureté de 58STW: la température de revenu n’est donc pas convenablement choisie.
Or la supposition ci-dessus faite est inexacte. Cela indique donc que la dureté obtenue après revenu est bien plus inférieure que celle signalée.
Figure 3.1 : formation de la calamine sur les mâchoires après refroidissement
Figure 3.2 : courbe de transformation en refroidissement continu TRC du THYRODUR 2379 [52].
Page | 82 Synthèse n°2
Le traitement thermique effectué sur les mâchoires est inadéquat.
3.4.3. Cas des poinçons
3.4.3.1. Le traitement d’austénitisation 3.4.3.1.1. La montée en température
A 820°C, les mâchoires sont introduites dans le four. Pour les conséquences de cette façon de faire, voir la section 3.4.2.1.1.
3.4.3.1.2. Le maintien en température
Le maintien en température du poinçon de plus grand diamètre afin d’éviter un
grossissement de grain doit durer ;
!:R; X:,!R − H!X ;H-!I;21 (33 !45;). Pour le plus petit poinçon, on a 12 !:R; 22 ;H-!I;.
Pour tous les poinçons, le temps de maintien à TransAcier est d’une heure après stabilisation de la température. Avec cette durée, le grossissement de grains est certain ; s’ensuit également une consommation énergétique élevée.
3.4.3.2. Le refroidissement
Le refroidissement jusqu’à température ambiante des mâchoires survient après une heure trente (30) minutes et se fait à l’huile (gas-oil). La figure 3.3, indique
21 Cette valeur est calculée en tenant compte du diamètre du plus grand poinçon avec les données du tableau 3.2
Page | 83 que la dureté des poinçons après refroidissement est de 293SV22: c’est une valeur qui vient corroborer l’inexactitude des traitements thermiques.
Figure 3.3 : courbe de transformation en refroidissement continu TRC du THYRODUR 2842 [52]
3.4.3.3. Le revenu
Supposons maintenant que les traitements thermiques effectués jusqu’ici (avant le revenu) soient corrects. En vertu du fait que nous voulons atteindre les performances maximales du THYRODUR 2842, les techniciens doivent réaliser le revenu à 100°. La raison se trouve dans le tableau 2.10.
Le tableau 2.10 indique que pour un revenu effectué à 100°C, on a une dureté de 63STU: c’est la capacité de durcissement du matériau. Les techniciens réalisent le revenu à 300°. A cette température, le revenu donne une dureté de 56STU: la température de revenu n’est donc pas convenablement choisie. Notre
22 Contre 785HV, capacité de durcissement déterminée par le fournisseur.
Page | 84 supposition de départ étant fausse, la dureté obtenue après revenu sera plus inférieure à 29,5STU.
Synthèse n°3
Le traitement thermique effectué sur les poinçons est inadéquat.
Synthèse sur les traitements thermiques
Aucun des traitements thermiques effectué sur les outils n’est convenable.