Carburation - Carburizing

À ne pas confondre avec carbonisation , carburation ou carbonatation .
Un four de cémentation au gaz informatisé moderne

La carburation , la carburation (principalement en anglais américain) ou la carburation est un processus de traitement thermique dans lequel le fer ou l' acier absorbe du carbone tandis que le métal est chauffé en présence d'un matériau carboné, tel que le charbon de bois ou le monoxyde de carbone . L'intention est de rendre le métal plus dur . Selon la durée et la température, la zone affectée peut varier en teneur en carbone. Des temps de carburation plus longs et des températures plus élevées augmentent généralement la profondeur de diffusion du carbone. Lorsque le fer ou l'acier est refroidi rapidement par trempe , la teneur en carbone plus élevée sur la surface extérieure devient dure en raison de la transformation de l' austénite en martensite , tandis que le noyau reste mou et dur comme une microstructure ferritique et/ou perlite .

Ce procédé de fabrication peut être caractérisé par les points clés suivants : Il s'applique à des pièces à faible teneur en carbone ; les pièces sont en contact avec un gaz à haute teneur en carbone, liquide ou solide ; il produit une surface de pièce dure; les noyaux des pièces conservent en grande partie leur ténacité et leur ductilité ; et il produit des profondeurs de dureté jusqu'à 0,25 pouces (6,4 mm). Dans certains cas, il sert de remède à une décarburation indésirable qui s'est produite plus tôt dans un processus de fabrication.

Méthode

La carburation de l'acier implique un traitement thermique de la surface métallique à l'aide d'une source de carbone. La carburation peut être utilisée pour augmenter la dureté de surface de l'acier à faible teneur en carbone.

La carburation précoce utilisait une application directe de charbon de bois emballé autour de l'échantillon à traiter (initialement appelé cémentation ), mais les techniques modernes utilisent des gaz ou des plasmas carbonés (tels que le dioxyde de carbone ou le méthane ). Le processus dépend principalement de la composition du gaz ambiant et de la température du four , qui doivent être soigneusement contrôlées, car la chaleur peut également avoir un impact sur la microstructure du reste du matériau. Pour les applications où un grand contrôle de la composition du gaz est souhaité, la carburation peut avoir lieu sous de très basses pressions dans une chambre à vide .

La carburation plasma est de plus en plus utilisée pour améliorer les caractéristiques de surface (telles que l'usure, la résistance à la corrosion , la dureté , la capacité de charge, en plus des variables basées sur la qualité) de divers métaux, notamment les aciers inoxydables . Le procédé est respectueux de l'environnement (par rapport à la cémentation gazeuse ou solide). Il permet également un traitement homogène des composants à géométrie complexe (le plasma peut pénétrer dans des trous et des interstices serrés), ce qui le rend très flexible en termes de traitement des composants.

Le processus de carburation fonctionne via la diffusion d'atomes de carbone dans les couches superficielles d'un métal. Comme les métaux sont constitués d'atomes étroitement liés dans un réseau cristallin métallique , les atomes de carbone diffusent dans la structure cristalline du métal et restent en solution (dissous dans la matrice cristalline du métal - cela se produit normalement à des températures plus basses) ou réagissent avec les éléments dans le métal hôte pour former des carbures (normalement à des températures plus élevées, en raison de la mobilité plus élevée des atomes du métal hôte). Si le carbone reste en solution solide, l'acier est ensuite traité thermiquement pour le durcir. Ces deux mécanismes renforcent la surface du métal, le premier en formant de la perlite ou de la martensite, et le second via la formation de carbures. Ces deux matériaux sont durs et résistent à l'abrasion.

La cémentation au gaz est normalement effectuée à une température comprise entre 900 et 950 °C.

Dans le soudage oxyacétylénique , une flamme de cémentation est une flamme contenant peu d'oxygène, ce qui produit une flamme de suie à basse température. Il est souvent utilisé pour recuire le métal, le rendant plus malléable et flexible pendant le processus de soudage.

Un objectif principal lors de la production de pièces cémentées est d'assurer un contact maximal entre la surface de la pièce et les éléments riches en carbone. En cémentation gazeuse et liquide, les pièces sont souvent supportées dans des paniers grillagés ou suspendues par des fils. Dans la cémentation en pack, la pièce et le carbone sont enfermés dans un conteneur pour garantir que le contact est maintenu sur la plus grande surface possible. Les conteneurs de cémentation pack sont généralement en acier au carbone recouvert d'aluminium ou d'alliage nickel-chrome résistant à la chaleur et scellés à toutes les ouvertures avec de l'argile réfractaire.

Agents durcisseurs

Il existe différents types d'éléments ou de matériaux qui peuvent être utilisés pour effectuer ce processus, mais ceux-ci sont principalement constitués de matériaux à haute teneur en carbone. Quelques agents de durcissement typiques comprennent le monoxyde de carbone (CO), le cyanure de sodium et le carbonate de baryum , ou le charbon de bois dur. Dans la cémentation au gaz, le carbone est dégagé par le propane ou le gaz naturel . En cémentation liquide, le carbone est dérivé d'un sel fondu composé principalement de cyanure de sodium (NaCN) et de chlorure de baryum (BaCl 2 ). Dans la cémentation en pack, le monoxyde de carbone est dégagé par le coke ou le charbon de bois dur.

Possibilités géométriques

Il existe toutes sortes de pièces qui peuvent être cémentées, ce qui signifie des possibilités presque illimitées pour la forme des matériaux qui peuvent être cémentés. Cependant, une attention particulière doit être accordée aux matériaux qui contiennent des sections non uniformes ou non symétriques. Différentes sections transversales peuvent avoir des vitesses de refroidissement différentes, ce qui peut provoquer des contraintes excessives dans le matériau et entraîner une rupture.

Changements dimensionnels

Il est pratiquement impossible de faire subir une carburation à une pièce sans subir quelques changements dimensionnels. La quantité de ces changements varie en fonction du type de matériau utilisé, du processus de cémentation subi par le matériau et de la taille et de la forme d'origine de la pièce à usiner. Cependant, les changements sont faibles par rapport aux opérations de traitement thermique.

Modification des propriétés du matériau
Propriétés du matériau de travail Effets de la carburation
Mécanique
  • Dureté de surface accrue
  • Résistance à l'usure accrue
  • Augmentation de la fatigue/résistances à la traction
Physique
  • La croissance des grains peut se produire
  • Un changement de volume peut se produire
Chimique
  • Teneur accrue en carbone de surface

Matériau de la pièce

Typiquement, les matériaux qui sont carbonisés sont des aciers à faible teneur en carbone et alliés avec une teneur initiale en carbone allant de 0,2 à 0,3 %. La surface de la pièce doit être exempte de contaminants, tels que l'huile, les oxydes ou les solutions alcalines, qui empêchent ou entravent la diffusion du carbone dans la surface de la pièce.

Comparer différentes méthodes

En général, les équipements de cémentation en pack peuvent accueillir des pièces plus grandes que les équipements de cémentation liquide ou gaz, mais les méthodes de cémentation liquide ou gaz sont plus rapides et se prêtent à une manutention mécanisée des matériaux. De plus, les avantages de la cémentation par rapport à la carbonitruration sont une plus grande profondeur de boîtier (des profondeurs de boîtier supérieures à 0,3 pouce sont possibles), moins de distorsion et une meilleure résistance aux chocs. Cela le rend parfait pour les applications à haute résistance et à l'usure (par exemple, des ciseaux ou des épées). Les inconvénients comprennent des dépenses supplémentaires, des températures de travail plus élevées et un temps accru.

Choix du matériel

En général, la cémentation au gaz est utilisée pour les pièces de grande taille. La cémentation liquide est utilisée pour les petites et moyennes pièces et la cémentation en pack peut être utilisée pour les grandes pièces et le traitement individuel de petites pièces en vrac. La cémentation sous vide (cémentation basse pression ou LPC) peut être appliquée sur un large éventail de pièces lorsqu'elle est utilisée conjointement avec une trempe à l'huile ou au gaz haute pression (HPGQ), en fonction des éléments d'alliage dans le matériau de base.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Geoffrey Parrish, Carburation : Microstructures et propriétés. ASM International. 1999. page 11

Liens externes