Acier durcissant.

- Oct 01, 2020-

Acier durcissant

Un noyau dur et un boîtier dur sont les attributs souhaités des composants en acier durci par cas. Cette combinaison de propriétés fournit la résistance à l’usure et la force de fatigue à la surface, et la force d’impact dans le noyau. Il est réalisé en carburant la surface du composant, puis en désaltérant et en tempérant la pièce. Les composants carburés comprennent des engrenages de toutes sortes, des arbres à cames, des joints universels, des pignons de conduite, des composants de liaison, des essieux et des arbours. Tous ces composants doivent résister à l’usure et à la fatigue, avoir une résistance inhérente, et être encore machinable.

Les applications typiques incluent

  • Transport:Des composants durcis par cas sont nécessaires dans n’importe quel véhicule à moteur, qu’il s’agisse d’une petite voiture, d’une voiture de course, d’un camion ou d’un navire océanique.

  • Production d’énergie :Les roues d’engrenage et les grands composants doivent résister au stress cyclique et à l’usure dans les centrales hydroélectriques, les générateurs d’éoliennes, les entraînements d’hélices des plates-formes de forage et les engrenages de turbine à vapeur des centrales électriques.

  • Génie mécanique général :Génie mécanique général : Les applications dans ce domaine comprennent les presses à forge, l’équipement de roulement en métal, les machines-outils; conduites d’équipement minier et de transmissions lourdes; l’équipement de terrassement et les grues de construction lourdes. La résistance à l’usure et la bonne résistance à la fatigue sont toujours des caractéristiques clés des aciers durcis pour ces applications.

Case-hardened gear examples

Tout ce qui bouge a besoin d’engrenages durcis

Pendant la carburation, le composant est chauffé dans un milieu de libération de carbone à une température où l’acier est complètement austénétique. La solubilité du carbone est beaucoup plus élevée en austérite qu’en ferrite, ce qui permet au carbone de passer à travers la surface de l’acier et de se diffuser dans le composant. La carburation peut augmenter la teneur en carbone de surface jusqu’à 0,7 %. Le contrôle du temps à température permet de contrôler la profondeur à laquelle le carbone se diffuse, et donc l’épaisseur du « as ». Il permet également à la teneur en carbone du noyau de rester à environ 0,25%. Un objectif microstructurel important pendant la carburation est une austenite stable et uniformément fine. Une taille uniforme de grain d’austénite entraîne une faible distorsion après traitement thermique, tandis qu’une fine taille de grain d’austérite améliore la résistance à la fatigue et la résistance.

L’extinction de la température carburante et la tempérance subséquente du composant produit un martresite à haute teneur en carbone ayant une grande dureté et une résistance à l’usure près de la surface. Le noyau non carburé conserve sa bonne résistance et ses propriétés de résistance d’origine.

La sélection d’éléments d’alliage appropriés permet un contrôle précis de la durcissabilité de la surface au noyau. (Voir la figure 1 pour un exemple d’une courbe jominy utilisée pour évaluer la durcissabilité.) L’acier approprié dépend de la taille de la pièce à traiter, car il s’agit d’un objectif de produire une structure forte, dure et tempérée de martensite dans le noyau.

Aciers de durcissage standard
DIN - FRSAE/ASTM% Teneur en alliage
CCrMoAutres
MnCr Steel
20MnCr551200.17-0.221.0-1.3 1,1 à 1,4 Mn
CrMo Steel
20MoCr4
0.17-0.230.3-0.60.40-0.50
20CrMo586200.18-0.231.1-1.40.20-0.30
NiCrMo Steel
20NiCrMo 6-4
0.16-0.230.6-0.90.25-0.351.4-1.7 Ni
18CrNiMo7-6
0.15-0.211.5-1.80.25-0.351.4-1.7 Ni
14NiCrMo13-4
0.11-0.170.8-1.10.10-0.253.0-3.5Ni
17NiCrMo 6-5
0.14-0.200.8-1.10.15-0.251.2-1.5Ni

Tableau 1 : Aciers à durcisseurs de boîtiers standard

Molybdène (0,15 - 0,50%) est utilisé dans les aciers carburants pour augmenter le durcissement du noyau à faible teneur en carbone et durcir le boîtier à haute teneur en carbone en même temps. Il est particulièrement efficace dans les grandes sections transversales comme celles des engrenages d’éoliennes. Le molybdène n’est pas oxydé pendant la carburation, de sorte qu’il ne provoque pas une fissuration de surface accrue et l’éclaboussure. Cela signifie également qu’il n’est pas perdu par réaction, mais reste présent dans l’alliage pour fournir un durcissement efficace.

L’énergie éolienne – un moteur majeur pour le développement de l’acier carburant

Les engrenages utilisés dans les grandes éoliennes sont soumis à des charges extrêmes sur les flancs et les orteils de leurs dents, en particulier lorsque des changements soudains de vitesse du vent ou des arrêts difficiles se produisent. Un boîtier dur et un noyau dur donnent un équipement plus résistant à l’usure capable de gérer des charges à fort impact. Les boîtes de vitesses éoliennes sont conçues pour minimiser le bruit mécanique pour un fonctionnement silencieux, mais le bruit des engrenages augmente pendant la durée de vie en raison de l’abrasion des surfaces dentaires des engrenages. L’augmentation de la dureté de surface et de la résistance à l’abrasion des engrenages diminuera ainsi le bruit de la boîte de vitesses. La combinaison de base dure/dure possédée par des engrenages carburés est d’avantage à cet égard. Les aciers à faible alliage généralement utilisés pour les procédés de durcissement des cas (p. ex. 20MnCr5) ne sont pas applicables lorsque la longue durée de vie de fatigue et la résistance élevée sont nécessaires. Les aciers à carburation de boîtiers NiCrMo haute performance offrent une capacité de durcissement profond et possèdent une résistance à la fatigue élevée. Actuellement, la catégorie 18CrNiMo7-6 est l’acier de vitesse standard pour les boîtes de vitesses à vent. En ce qui concerne l’optimisation des aciers carburants pour les engrenages de grande taille et lourdement chargés, les priorités suivantes peuvent être définies :

  • Augmentation de la résistance et de la résistance de la traction du noyau

  • Une plus grande force de fatigue dans le noyau et le cas

  • Durcissement amélioré

  • Faible distorsion lors de l’extinction

  • Amélioration des propriétés à des températures de service élevées.

Plusieurs sources de dégradation des biens doivent être attaquées pour atteindre ces objectifs. L’oxydation intergranulaire dans la couche carburée peut initier la rupture de fatigue, réduisant la force de fatigue de la dent. Il provoque également une zone molle près de la surface de la couche carburée. L’élimination des anomalies dans la structure de surface est donc un objectif important dans le développement des engrenages à haute résistance à la fatigue. L’augmentation de la température de tempérage améliore la résistance, mais nécessite une résistance accrue à la tempérance afin de ne pas perdre de force. L’approche initiale pour mettre en œuvre ces améliorations consiste à ajuster la composition chimique de l’acier, en utilisant les lignes directrices suivantes :

  • Prévenir l’oxydation intergranulaire → réduire Si, Mn et Cr.

  • Améliorer la durcissabilité → augmenter Mo.

  • Améliorer la résistance → augmenter Ni et Mo.

  • Affiner et homogénéiser la taille des grains → équilibrer les ajouts de microalloyants Nb, Ti, Al et N.

  • Renforcer les limites des céréales → réduire les P et S.

La dureté du boîtier peut être encore augmentée en formant une dispersion des carbures ultra-durs mo et nb. Cela offrira un meilleur soutien mécanique au boîtier carburé ou un revêtement potentiel de surface dure. Le simple fait d’augmenter la teneur en carbone en vrac augmenterait bien sûr aussi la durcissabilité, mais cette approche sacrifie la dureté.

La figure 1 montre l’effet des modifications de composition sur le durcissement d’un acier carburant de référence de 0,18 % C (18CrNiMo7-6). L’effet puissant de l’ajout d’anciens carbures est évident.  Dans cette figure, la ligne solide montre la durcissabilité de l’acier de référence. L’augmentation du contenu ni et l’abaissement de Mo (ligne pointillée en bas) augmente la dureté de base en favorisant la formation de bainite, mais diminue la dureté du cas en augmentant la fraction d’austenite conservée après la carburation. L’alliage avec une combinaison de Mo et d’anciens carbures spéciaux (ligne en pointillés supérieure) augmente uniformément la dureté du composant, et augmente la dureté du boîtier au-dessus de la dureté de base de 0f 0,18% C acier (ligne pointillée).

Jominy test results on two modified 18CrNiMo7-6 (solid line) steels

Figure 1. Jominy résultats d’essai sur deux modifiés 18CrNiMo7-6 (ligne solide) aciers, montrant comment les ajouts Mo peuvent améliorer les performances des boîtes de vitesses de moulin à vent.

Une fois que le composant carburé est éteint, il est tempéré pour améliorer la résistance. Des températures plus élevées produisent une résistance plus élevée avec une perte correspondante de dureté et de force. Le choix de la température de tempérante doit donc équilibrer ces effets contradictoires.

La dureté et la résistance des caisses diminuent rapidement lorsque les aciers carburants standard sont tempérés au-dessus de 180 °C. Pour cette raison, les applications critiques limitent les températures maximales de fonctionnement à 120-160 °C, et le refroidissement des engrenages devient important. En augmentant considérablement la teneur en Mo, et avec un ajout optionnel Nb, la résistance à la tempérage de l’acier est grandement améliorée. La figure 2 montre l’effet de l’ajout de 2% Mo au lieu de la norme 0,25%. L’augmentation de la teneur en Mo produit une dureté de surface de plus de 700 HV (60 HRC), même après avoir tempéré à 300°C.

Mo additions to quenched and tempered NiCrMo steel

Figure 2. L’effet des ajouts de Mo sur la dureté de cas d’un acier NiCrMo trempé et trempé.