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Quels procédés de traitements thermiques pour quelles applications ?

Le traitement thermique des métaux consiste à modifier la structure cristallographique d’une pièce métallique dans un but précis. Certaines techniques permettent d’améliorer la dureté des pièces et de renforcer leur résistance à l’effort. Il existe de nombreux procédés de traitements thermiques des métaux, chacun agissant sur des propriétés différentes. Comment fonctionne le traitement thermique des métaux et comment choisit-on le mieux adapté ?

Différentes familles de traitement thermique des métaux

Le terme « traitement thermique des métaux » désigne en réalité un ensemble de procédés industriels appliqués à des pièces métalliques dans un but clairement défini. Dans les faits, le matériau est soumis à un environnement particulier qui modifie ses propriétés physiques et chimiques. Pour y parvenir, ces traitements agissent sur le temps, l’atmosphère et la température dans lesquels la pièce de métal est placée. Celle-ci passe alors par trois phases : la montée en température, le maintien et le refroidissement. La plupart de ces procédés se déroulent en milieu gazeux, sous vide ou liquide. 

On distingue tout de même deux grands types de traitements thermiques des métaux : ceux permettant d’adoucir la résistance du métal, améliorant ainsi son usinabilité ou sa mise en forme, et ceux contribuant, à l’inverse, à son durcissement. Dans ce cas, on agit principalement sur la dureté de la pièce ou sa résistance mécanique et l’objectif consiste surtout à la rendre plus résistante aux efforts et à améliorer ses performances mécaniques.

Deux types de traitement de durcissement

Dans le cadre d’un traitement de durcissement, on peut agir soit sur l’ensemble du volume de la pièce, soit uniquement sur sa surface. Dans le premier cas, on parle de « traitements thermiques dans la masse » et dans le second, de « traitement superficiel ». 

Traitements dans la masse

Parmi les traitements dans la masse les plus connus, on trouve notamment le recuit, la trempe et le revenu.

Technique du recuit
Le recuit consiste, comme son nom le laisse entendre, à réchauffer une pièce. D’abord chauffée à une température pouvant aller de 450 à 1 100 degrés Celsius, elle est maintenue à température puis refroidie. Le temps de chaque phase demeure crucial et fait l’objet d’une analyse précise afin d’agir sur les propriétés mécaniques  souhaitées ou sur la structure métallographique. Le recuit sert principalement à éliminer ou relaxer certaines contraintes telles que celles obtenues pendant la mise en œuvre de la pièce (forge, fonderie, usinage…) ou pendant les opérations de soudure. Le recuit permet également de diminuer le risque de déformations ou à modifier la structure de la pièce en vue d’un autre traitement par la suite.

Technique de la trempe
La trempe respecte ces trois mêmes étapes mais la différence se situe au moment de la phase de refroidissement : celle-ci peut s’opérer dans un milieu gazeux ou aqueux comme de l’eau ou de l’huile. Cette étape se révèle plus rapide que dans le cas d’un recuit et le métal se voit instantanément durci par transformation martensitique . De la même manière, la phase de trempe est généralement suivie par une dernière étape comme celle du revenu.
Technique du revenu
Le revenu s’opère généralement à la suite d’une trempe et consiste à chauffer une ou plusieurs fois la pièce de manière lente. À la suite d’une phase de trempe, la structure du métal est relativement fragile et instable, le revenu permet alors de rendre le métal plus ductile et tenace. 

Traitements thermiques superficiels

Les traitements superficiels ne modifient que les propriétés de la surface de la pièce et servent généralement à la protéger contre l’usure, les frottements, la fatigue ou la corrosion. Là encore, il existe de nombreux procédés conférant des propriétés différentes aux pièces finales.

Processus de cémentation
Parmi les procédés les plus célèbres de traitement thermique superficiel, on trouve notamment la cémentation. Cette technique a pour but de durcir la surface de la pièce de métal, tout en préservant un intérieur résilient, rendant ainsi l’ensemble moins cassant. Le processus de cémentation implique la diffusion de carbone à la surface de la pièce, le plus souvent dans un milieu gazeux.

Processus de nitruration 
La nitruration fait également partie des traitements thermiques superficiels les plus efficaces pour améliorer la résistance de la pièce face à l’usure et la corrosion. Dans ce contexte, la pièce est exposée à de l’azote. En réaction avec le fer, celui-ci provoque l’apparition d’une couche dite de combinaison et une couche de diffusion, faites de nitrures de fer. Cette couche superficielle améliore considérablement la résistance de la surface de la pièce et prolonge sa durée de vie.

Comment choisir le bon procédé ?

Choisir le bon traitement thermique ne s’improvise pas. Cette décision dépend évidemment du type d’utilisation finale de la pièce, mais aussi des contraintes qu’elle va subir lors de son fonctionnement. 

On se base alors sur un calcul de forces, de contraintes, qu’on appelle aussi résistance des matériaux, RDM. Le traitement à privilégier varie en effet en fonction des contraintes subies par l’équipement final.

Exemples d’utilisations du traitement thermique des métaux

Le traitement thermique des métaux s’emploie aujourd’hui très largement dans de nombreux secteurs industriels. Sans ces procédés, un avion ne peut pas voler, une voiture ne peut rouler, une fusée ne peut décoller… 

Également employé dans la conception de matériel médical, le traitement thermique des métaux semble partout, depuis les essieux et vilebrequins composant la structure d’une voiture, jusqu’aux crémaillères et machines-outils utilisées dans l’industrie lourde.

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