Leçons de niveau 15

Métallurgie générale/Les aciers III - traitements de surface

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Les aciers III - traitements de surface
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Chapitre no 4
Leçon : Métallurgie générale
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Chap. suiv. :Les fontes
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Les traitements de surface permettent de modifier les propriétés de la couche superficielle de l'acier. Le premier traitement de surface fut la dorure, à but esthétique (plaqué or), puis, on a cherché à protéger contre la corrosion.

Les traitements de surface sont maintenant variés, et permettent de réduire le coût d'une pièce, lorsque l’on n'a pas besoin de propriétés à cœur : on utilise un acier moins performant (réduction du coût matière) mais traité. Cela permet aussi d'associer propriétés superficielles et propriétés à cœur, par exemple une surface dure (mais fragile) et un cœur ductile.

Par contre, on est limité par la taille de la pièce à traiter. Par ailleurs, le traitement de surface induit également un surcoût, et génère des nuisances environnementales : manipulation de produits toxiques, consommation d'énergie.

Le traitement de surface est en général la dernière opération effectuée avant livraison : toute opération subséquente pourrait dégrader le traitement localement. Ce n'est toutefois pas systématique (tôles galvanisées embouties) ; voire même, le traitement peut modifier légèrement les dimensions de l’objet et nécessiter une rectification (usinage de précision) lorsque les tolérances (exigences dimensionnelles) sont très précises.

Quatre principaux types de traitements[modifier | modifier le wikicode]

Les traitements de surface sont principalement de quatre types :

  • traitement mécanique : cela consiste à déformer la matière en surface, éventuellement à en enlever ;
  • traitement de diffusion : cela consiste à faire pénétrer des atomes dans l'acier, donc à modifier la teneur en éléments d'alliage en surface ;
  • traitements de conversion : cela consiste à former une couche par réaction chimique entre le fer et l'environnement (gaz, bain liquide) ;
  • revêtements : cela consiste à déposer une autre couche de matériau sur l'acier.
Principe du dépôt électrolytique

Les traitements de conversion ou de revêtement peuvent se faire par électrolyse (dépôt électrolytique) : la pièce à traiter est trempée dans un bain (solution, électrolyte ou « sauce ») et l’on fait passer un courant électrique entre une électrode et la pièce. Les ions de la solution migrent vers la pièce et réagissent pour former la couche de conversion ou le dépôt.

Améliorer l’apparence[modifier | modifier le wikicode]

Peinture au badigeon
Peinture par projection de poudre
Acier chromé

Le principal traitement est le polissage : cela consiste à enlever de la matière afin d'éliminer les rayures et d’avoir une surface parfaitement lisse. En fait, on forme des rayure ayant les dimensions de l'abrasif, invisibles à l'œil nu. Outre l'esthétique, cela confère des propriétés optiques (miroir).

L'enlèvement de matière peut aussi se faire par dissolution par un acide, éventuellement en appliquant un courant électrique (polissage électrolytique).

On peut également au contraire dépolir le métal, par abrasion — former des rayures d'une direction donnée, d'une forme donnée (disque) — ou par impact : projection de sable ou de billes (sablage, grenaillage).

Enfin, on peut recouvrir l'acier :

  • avec un polymère : c’est tout simplement la peinture ; on utilise souvent de la peinture en poudre, ce qui évite le problème des solvants (problèmes de santé pour les opérateurs, de rejets environnementaux) : la poudre de peinture est chargée électriquement et vient se coller à la pièce, on passe ensuite la pièce au four pour « cuire » la peinture ;
  • avec du chrome, qui donne un aspect brillant : c’est le chromage dur (chrome plating), qui se fait par dépôt électrolytique ; le résultat est un aspect brillant inaltérable, très dur mais fragile.

Notons que la peinture a une mauvaise tenue en température et contre l'abrasion.

Modifier l'accroche[modifier | modifier le wikicode]

On peut vouloir favoriser l'accroche d'un autre matériau, par exemple d'une peinture, ou au contraire la réduire pour diminuer les phénomènes d'adhérence et de frottement.

Pour favoriser l'accroche, on commence par décaper la pièce afin de la dégraisser voire, selon le traitement subséquent, enlever la couche oxydée. On peut ensuite sabler ou grenailler la pièce afin de créer des aspérités.

L'état de surface conditionne les phénomènes d'adhérence et de frottement mais pas de manière spectaculaire[1]. Par contre, deux surfaces extrêmement lisses peuvent créer un effet ventouse : comme il n'y a pas d'air entre les pièces en contact, la pression atmosphérique qui plaque les pièces l'une contre l'autre (l'équivalent de 10 t/m2) n’est pas contrebalancée. Pour avoir un meilleur état de surface (une taille de défaut plus petite), on procède à une rectification (usinage de précision, à vitesse d'avance lente et avec un faible enlèvement de matière) voire à un polissage.

La phosphatation est une méthode de conversion qui consiste à créer une couche de phosphates de fer. On l'obtient par trempage dans une solution de phosphate de zinc ou de magnésium. Elle favorise l'accroche des peinture, et en couche épaisse, protège contre la corrosion.

Durcir la surface[modifier | modifier le wikicode]

Le durcissement de surface est utile pour éviter la dégradation lors de chocs, le matage et l'usure.


Écrouissage[modifier | modifier le wikicode]

La première manière de durcir la surface est de l'écrouir, on applique donc un traitement mécanique. Outre le sablage et le grenaillage, on peut aussi pratiquer le galetage : on fait rouler des galets pour repousser le métal. Cette opération, longue et donc coûteuse, permet en outre d’avoir un état de surface de très grande qualité, avec une tolérance dimensionnelle très serrée.

L'écrouissage crée des contraintes de compression, la surface est précontrainte, ce qui contribue également à son durcissement. Notons que les traitements de diffusion (cémentation, nitruration) introduisent des atomes à l'intérieur de la maille de fer et mettent également la surface en compression.

Certains aciers austénitiques subissent une transformation martensitique à l'écrouissage, en particulier les aciers Hadfield (aciers au maganèse ou mangalloys, p. ex. X120Mn12), ce qui donne une grande dureté superficielle d'autant plus grande.

Trempe superficielle et cémentation[modifier | modifier le wikicode]

On peut également faire une trempe superficielle. Le principe est de chauffer la surface sans trop chauffer le cœur. On utilise pour cela un chalumeau ou bien un chauffage par induction : une onde électromagnétique crée un courant induit en surface, qui provoque un échauffement par effet Joule. L'appareillage comporte l'élément chauffant et immédiatement derrière une douche sous pression. Des méthodes récentes proposent d'autres moyens de chauffage : laser, torche plasma, hautes fréquences.

En général, on enrichit au préalable la surface en carbone par diffusion, c’est l'opération de cémentation (carburizing) : la pièce est placée dans un four dans une atmosphère de monoxyde de carbone CO, de méthane

Début d’une formule chimique

CH4

Fin d’une formule chimique

ou de propane C3H8, le gaz se décompose au contact du fer et libère son carbone.

Durant les opérations de soudage, on peut utiliser un gaz carburigène afin d'enrichir le cordon de soudure en carbone (soudure sous atmosphère active de certains aciers duplex). Le préchauffage et la vitesse d'avance du soudage permettent de maîtriser les conditions de refroidissement et donc de trempe à l'air.

Nitruration, carbonitruration, sulfonitruration[modifier | modifier le wikicode]

La nitruration (nitriding) consiste à faire pénétrer de l'azote dans l'acier. L'azote forme des nitrures avec le fer et les éléments d'alliages ; les nitrures sont des céramiques très dures. On obtient en surface une zone de combinaison, formée de nitrures de fer (Fe3N, Fe4N), puis une zone de diffusion dans laquelle l'azote est en solution solide d'insertion. Dans cette zone de diffusion, on peut avoir des précipités durcissant de nitrures (CrN, AlN, …) aux joints de grain (durcissement structural). De fait, la nitruration est surtout intéressante pour les aciers alliés au chrome, molybdène, vanadium ou aluminium.

Principe de l'implantation ionique

La nitruration peut se faire de trois manières :

  • par réaction chimique avec un bain de sels fondus, vers 570 °C : les sels sont des cyanures, ce qui impose de parfaitement maîtriser le procédés pour ne pas causer de problème de santé aux travailleurs et pour l'environnement (traitement des effluents) ;
  • par réaction chimique avec un gaz, de l'ammoniac NH3, à environ 500 °C ; dans le cas d'un inox, il faut dépassiver, c'est-à-dire éliminer la couche d'oxyde de chrome qui s'oppose à la réaction ;
  • par implantation ionique (ion bombardment) : cela consiste à provoquer des arcs électriques dans une atmosphère de diazote
    Début d’une formule chimique
    N2
    Fin d’une formule chimique
    et ammoniac ; les ions d'azote sont implantés dans l'acier ; cette méthode nécessite un investissement plus important, mais a un impact plus réduit sur l'environnement (économie d'énergie, pas d'effluent toxique), est plus rapide et déforme moins la pièce.

La température de traitement impose un acier au molybdène (problème de fragilisation au revenu par ségrégation d'impuretés).

La nitruration est très utilisée pour les pignons, soupapes, axes de pistons, vilebrequins, arbres, pièces fines (balais d'essuie-glace), …

La carbonitruration est l'association d'une nitruration et d'une cémentation et se fait vers 800 °C ; elle est donc suivie d'une trempe superficielle qui forme une martensite à l'azote (qui est également un gammagène). Cela se fait en phase gazeuse, par un mélange de gaz de cémentation et d'ammoniac.

La sulfonitruration associe du soufre à l'azote, par un bain de sel spécifique vers 570 °C durant 1 h-1 h30. La couche de conversion superficielle contient des nitrures et des sulfures de fer (FeS) ; ceux-ci améliorent le glissement et évitent le grippage. La couche sous-jacente est une couche de nitrures très dure.

Chromisation dure[modifier | modifier le wikicode]

La chromisation dure (chrome diffusion hardening) consiste à diffuser du chrome sur une épaisseur importante. On met pour cela la pièce dans un four, vers 1 000 °C en présence d'halogénures de chrome (chlorure ou fluorure) ; on parle parfois de « cémentation au chrome ». Sur un acier à forte teneur en carbone, cela forme une couche de carbure de chrome très dure et ayant un bon coefficient de frottement.

Protéger contre la corrosion[modifier | modifier le wikicode]

Tôle galvanisée, facilement reconnaissable aux irisation qui font ressortir les cristallites de zinc

La peinture, déjà évoquée plus haut, protège contre la corrosion en faisant une barrière avec l'environnement, lorsque l’on reste à température modérée (cloquage) et qu’il n'y a pas de risque d'abrasion (par exemple présence de sable). Les peintures anti-corrosion ont été abandonnées en raison de la présence de minium, un oxyde de plomb toxique, mais certaines peintures contiennent une charge de zinc qui confère une protection améliorée (voir aussi la galvanisation plus loin). Certaines peintures, dites anti-fouling, évitent l'accroche d'animaux marins (moules) et d'algues, qui par leur métabolisme dégradent la peinture ou peuvent accélérer la corrosion. Par contre, une sous-couche de phosphatation facilite à la fois l'accroche de la peinture et améliore la protection contre la corrosion.

La chromisation douce consiste à former une couche de diffusion de faible épaisseur. Le chrome présent proche de la surface peut ainsi créer une couche passive. Elle se fait de la même manière que la chromisation dure (cf. ci dessus). La chromisation peut s'appliquer après la phosphatation. Il ne faut pas confondre ce procédé avec le chromage ou la chromatation (voir ci-dessous).

Vis bichromatée (droite)

La galvanisation consiste à recouvrir l'acier de zinc, par trempage dans un bain de zinc liquide (il fond à 420 °C). Ce procédé est très efficace contre la corrosion atmosphérique. Par contre, il a une mauvaise tenue en température (en raison de la faible température de fusion du zinc) et résiste mal à l'abrasion (le zinc est un métal tendre).

L'acier galvanisé peut ensuite être chromaté (chromate conversion coating) : la pièce est plongée dans un bain de dichromate de potassium ou de sodium, qui crée une couche de conversion (couche d'oxydes de chrome et de zinc). On parle parfois de pièce « bichromatée ». La chromatation n'améliore pas la tenue à la corrosion mais empêche la formation d'oxyde de zinc blanc, c’est donc une opération essentiellement esthétique. Par contre, elle favorise l'accroche de la peinture. L'acier nu ne peut pas être chromaté.

On peut aussi recouvrir d'étain (étamage) par procédé électrolytique, on parle alors de « fer blanc ». Dans la galvanisation comme dans l'étamage, le métal de couverture s'oxyde et la réaction empêche la rouille (protection dite anodique). On pratique ces dépôts sur des aciers doux. Le chromage dur et le nickelage ne sont plus guère utilisés pour protéger contre la corrosion : ils provoquent une corrosion accélérée en cas de rayure. Pour la protection à température supérieure à 260 °C (trop haut pour la galvanisation) un dépôt d'aluminium peut être envisagé avec de bons résultats. Pour des conditions très agressives, comme de hautes températures ou des produits hautement corrosifs, on peut recouvrir le métal de céramique. Cela peut se faire :

  • par projection plasma : la poudre céramique est fondue dans une torche à plasma (à très haute température) puis projetés sur le métal ou elle se solidifie ;
  • par réaction avec un gaz (dépôt chimique en phase vapeur, chemical vapour deposition, CVD).

Le dépôt est fragile, et il présente un risque de fissuration lors du refroidissement.

À retenir[modifier | modifier le wikicode]

Là encore, il s'agit plus d'un chapitre de culture générale. Il faut s'attacher à connaître les éléments principaux des principaux traitements :

  • sablage, grenaillage : décapage, aspérités pour l'accroche de la peinture ;
  • polissage : esthétique, pour les propriétés de contact ;
  • trempe superficielle : durcissement par trempe de la surface, pour des actions de contact (pression, choc), sur de la tôle bleue (aciers type C30, C90) ;
  • cémentation + trempe superficielle : enrichissement de la surface par du carbone pour permettre une trempe superficielle, même application que précédemment, pour des aciers bas carbone (type C12, C22) ;
  • nitruration : durcissement superficiel par formation de nitrures, même application que précédemment, pour des aciers faiblement alliés au chrome, molybdène, aluminium, vanadium ;
  • chromisation : protection contre la corrosion et durcissement superficiel par enrichissement de la surface en chrome ;
  • galvanisation : protection contre la corrosion atmosphérique par dépôt de zinc ;
  • phosphatation : création de phosphates, pour l'accroche de la peinture et la protection contre la corrosion ;
  • peinture : dépôt de polymère pour esthétique et protection contre la corrosion.

Notes[modifier | modifier le wikicode]

  1. b:Tribologie/Modélisation des actions de contact#Contacts infinitésimaux et b:Tribologie/Genèse des frottements#Attraction interatomique ou intermoléculaire