CHOIX DES FLUIDES DE TREMPE
Rédigé dans le cadre de la commission A3TS « Fluides et systèmes de trempe »
N.B : Les informations contenues dans cette fiche proviennent de sources dignes de foi. Néanmoins, elles sont fournies sans aucune garantie, expresse ou tacite, de leur exactitude.
Guide de choix d’un fluide de trempe
Le choix d’un fluide trempe est conditionné par un certain nombre de contraintes qui vont des exigences métallurgiques recherchées tenant compte de la conception de la pièce (métal à traiter, géométrie, etc..) aux conditions de réalisation (installation) en prenant en considération les critères technico-économiques fixés au préalable.
Les principales propriétés recherchées pour le fluide de trempe sont :
refroidir dans des conditions optimum par rapport aux caractéristiques métallurgiques du matériau à traiter.
éviter les risques de tapure
minimiser les déformations
être inerte vis à vis des surfaces à refroidir.
Caractéristiques recherchées sur pièces traitées
- Mécaniques et métallurgiques
L’acier étant défini, c’est la drasticité (courbe de refroidissement) du fluide de trempe qui sera prépondérante pour le choix. Suivant le cas on pourra choisir
Eau pour la trempe
des aciers non alliés
des alliages d’aluminium
des alliages de titane
de certains alliages cuivreux
Emulsions eau/polymères pour la trempe
des aciers faiblement alliés
des alliages d’aluminium
Huiles minérales ou synthétiques pour la trempe
des aciers alliés ayant une bonne trempabilité (huile à drasticité moyenne)
des aciers à faible trempabilité (huile à drasticité accélérée)
Air pour la trempe des aciers « autotrempants »
Gaz pour la trempe des aciers alliés et alliages spéciaux préalablement chauffés sous-vide ou sous atmosphère
- Géométriques
Le choix du fluide devra aussi tenir compte de la complexité de la géométrie de la pièce à traiter, plus la drasticité de celui-ci sera sévère plus le risque de déformations et/ou tapures de trempe augmentera surtout dans le cadre de l’utilisation d’une huile de trempe froide.
Si la trempabilité le permet on s’orientera vers une huile de trempe froide non accélérée ou de préférence vers une huile de trempe semi-chaude ou chaude à drasticité moyenne voire légèrement accélérée.
- Sélection du fluide trempe
Avant toute chose, il faut connaître les caractéristiques (données par l’aciériste) du métal à traiter. Ensuite savoir, celles que l’on veut obtenir à savoir la dureté en surface et à cœur. Il est aussi important de connaître les opérations subies avant (contraintes résiduelles liées à la mise en forme de la pièce) et après traitement thermiques (lessivage, revenu, grenaillage, rectification, tournage dur etc..).
Un mauvais choix du fluide de trempe ou la dérive de certains paramètres en cours de production peuvent conduire à des surcoûts qui seraient le résultat de refroidissements incorrects par rapport au cahier des charges. Cela pourrait se traduire par des coûts d’opérations supplémentaires liés à des non-conformités
géométrique (nécessitant une reprise d’usinage),
métallurgique (dureté insuffisante pièces à retraiter)
et dans le pire des cas tapures, pièces rebutées.
Pour obtenir les caractéristiques métallurgiques recherchées, on utilise des lois de refroidissement continu ou étagé (courbes TRC ou TTT). Celle-ci est déterminante pour les métallurgistes qui utilisent ce refroidissement par trempe pour conférer à une pièce donnée les propriétés recherchées tout en minimisant le risque de défauts type tapures ou déformations.
Pour que ces dernières soient optimales, il faut que la concentration de la solution solide soit pratiquement la même qu’à la température de mise en solution, ce qui n’implique pas obligatoirement que le refroidissement soit très rapide.
Lors d’un refroidissement accéléré, les transformations de structure se font dans des conditions hors équilibre : on s’écarte donc de ce que le diagramme de phase prévoit (ou diagramme d’équilibre).
A ce titre, on utilise donc un diagramme appelé diagramme TRC (Transformations en Refroidissement Continu). Les vitesses critiques de trempe garantissant le meilleur compromis caractéristiques et déformations, ainsi que les points de transformations sont généralement spécifiques à chaque acier.
Le refroidissement nécessaire doit être suffisamment rapide pour former les constituants durs comme la martensite et/ou la bainite (inférieure ou supérieure) sur une profondeur prédéfinie (dureté en surface et à cœur) afin d’éviter la formation de constituants doux tels que la perlite et/ou la ferrite, voire de bainite lorsque l’on cherche 100% de martensite.
Les paramètres qui influencent donc sur les résultats métallurgiques sont par principe la composition de l’acier, mais pour un alliage donné on peut agir sur le fluide de trempe et ses paramètres en service comme l’agitation, la température du bain, la concentration de produit dans le cas de polymère…c’est ce que l’on appelle la sévérité de trempe d’une installation (voir plus bas).
Pour toute composition d’un acier donné, nous avons une vitesse de refroidissement critique pour obtenir la dureté maximum avec les tensions minimum. A cette vitesse critique, l’austénite formée à haute température se transforme en martensite en évitant le nez perlite /bainite.
- Etat de surface
L’obtention de caractéristiques métallurgiques avec si possible un bel état de surface (sans formation d’oxyde de fer, de dépôt, taches etc…) permet ainsi d’éviter des coûts de reprise d’usinage ou de parachèvement par tribofinition. Le fluide de trempe sera donc choisi pour son aptitude à ne pas altérer la surface de la pièce trempée.
Le fluide utilisé devra donc être conçu pour avoir
une bonne résistance aux chocs thermiques et à l’oxydation évitant ainsi sa décomposition en éléments collants et colorés qui rendent difficiles les opérations de lavage post-traitement.
une absence d’additifs colorant les pièces ou faisant un dépôt rendant difficile les opérations de traitement ultérieurs (traitements superficiels « électrolytiques, galvanoplastie… »).
une facilité de lavage avant revenu pour éviter par cuisson lors du réchauffage de la pièce au revenu la formation de dépôts durs gênants pour les éventuelles opérations ultérieures ou la simple présentation de la pièce. Pour exemple, un mauvais lavage après trempe avec une huile générera des fumées polluantes pour l’environnement et l’encrassement du four.
Le fluide choisi devra donc prendre en compte le procédé de lavage, facilité de dégraissage et de relargage (dans le cas d’une huile de trempe) afin de ne pas saturer rapidement le produit de lavage (lessive ou solvant) pour assurer la longévité du bain et limiter les déchets pour destruction.
Prise en compte du couple procédé-installation
Pour le praticien, l’idéal serait d’utiliser un seul fluide de trempe adapté à tous ses traitements thermiques et installations.
Malheureusement, cette polyvalence souhaitable est rarement rencontrée, et indépendamment des critères de choix liés aux exigences métallurgiques, géométriques, et d’état de surface, la sélection du fluide de trempe devra prendre en compte certaines spécificités de traitements ou d’installations. Ci-après, nous décrirons quelques cas.
- Influence du traitement
Traitement classique de trempe dans un bac de trempe indépendant
Généralement les pièces sont chauffées sans atmosphère protectrice et sont trempées dans un bac indépendant du four d’austénitisation. Ce type de traitement est pratiqué le plus souvent sur des pièces brutes de forge où les exigences d’état de surface et de moindre déformation sont limitées, on utilisera dans ce cas, de préférence, une huile de trempe ou un polymère si ces fluides répondent aux exigences métallurgiques recherchées et aux problèmes de sécurité et d’environnement… Pour les pièces dont la surface ne doit pas être altérée ou les déformations limitées en vue des opérations de finition on utilisera un four à bac de trempe incorporé ou un four à passage (voir plus bas).
Trempe après cémentation ou carbonitruration
L’acier cémenté est un alliage enrichi superficiellement ce qui rend sa structure duplex, c’est-à-dire que le cœur est constitué d’un acier doux de base à faible durcissement et trempabilité, et que la surface est elle constituée d’un acier riche en carbone (et azote dans le cas de la carbonitruration) à durcissement et trempabilité progressifs suivant la profondeur de la couche enrichie et sa composition.
Pour les pièces minces, les fluides à vitesse moyenne de refroidissement sont utilisables (huiles de trempe froides ou semi-chaudes, polymères de trempe, gaz).
Pour Les pièces à fortes sections nécessitent une vitesse plus rapide cas des huiles accélérées, polymères de trempe.
D’une manière générale, les pièces carbonitrurées étant souvent de petites ou moyennes dimensions (visseries, pignonneries) et non reprises en usinage après trempe, le fluide de trempe choisi ne devra pas altérer la surface.
De nombreuses pièces carbonitrurées étant réalisées en aciers de décolletage ou de trempabilité irrégulière, l’utilisation d’un fluide à drasticité accélérée est souhaitable (huile accélérée, polymère). Si cela n’est pas possible une adaptation de la gamme de carbonitruration est alors nécessaire.Cémentation sous atmosphère en bac incorporé
Le fluide utilisé devra avoir une faible tension de vapeur (en général lié à un point d’éclair élevé) pour éviter la pollution de l’atmosphère par les vapeurs du fluide et l’encrassement des sondes de mesure. Suivant le type d’installation « spécifique », la trempe gaz est une alternative aux huiles ou polymères.Cémentation en bains de sels
Ces installations ont tendance à disparaître compte-tenu des problèmes d’hygiène et d’environnement, les sels de cémentation étant le plus souvent cyanurés. Dans ce cas précis, on évitera l’emploi d’huiles dites «compoundées» dont les matières grasses en se saponifiant, rendent difficiles les opérations de lavage.Cémentation sous vide ou à basse pression
Suivant la configuration de l’installation, on emploi soit une huile synthétique spécifique (à faible tension de vapeur), ou un gaz sous pression (azote ou hélium). Le fluide utilisé ne devant pas affecter l’état de surface des pièces trempées
- Influence du dispositif de trempe
Bac de trempe incorporé
Le choix du fluide de trempe pour les bacs intégrés dans la même structure métallique que le laboratoire ou la chambre de chauffe de l’installation de traitement doit prendre en compte les spécificités telles que :
o Type de charges ou pièces traitées : le plus souvent, les charges sont massives et le volume du fluide de trempe réellement utilisé pour l’échange thermique métal/fluide peut être faible. Il s’ensuit un échauffement important du fluide de trempe immédiatement après m’immersion de la charge. Il n’est pas rare que la température de ce dernier s’élève de 30 à 50°C après immersion de la charge.
La trempe de pièces de type « tubes » et immergées verticalement, provoque une importante vaporisation.
o Atmosphère de traitement : une trop grande émission de vapeurs du fluide de trempe contaminera l’atmosphère du laboratoire et faussera les résultats des mesures de CO-CO2.
o Bain de trempe non visible : le fait que le bac soit incorporé au four rend difficile le contrôle visuel du bain du fluide et des risques d’incidents tels que les incendies (pour les huiles de trempe) inhérents à une pollution ou à un dysfonctionnement (ascenseur bloqué) sont importants.
o Le fluide de trempe choisi devra avoir des caractéristiques propres à son utilisation dans l’installation (viscosité adaptée, point éclair, volatilité, etc..) A titre d’exemple pour une huile de trempe, on considérera que le point d’éclair soit le plus élevé possible par rapport à sa température maximale d’échauffement, en général on optera pour la formule : pont d’éclair > 50°C par rapport à la température maximale d’échauffement (et non pas la température de travail).
On évitera l’emploi d’huiles dites « lavables » dont l’émulgateur, en dispersant l’eau dans la masse d’huile, en rend difficile la détection et augmente donc les risques d’incendie.Fours à passage ou à tapis
Le plus souvent, ce type de four est suivi d’un bac de trempe à l’air libre relié à la chambre de chauffe par un canal de chute ou une goulotte immergée dans le fluide de trempe, on traite dans ce type d’installation des petites pièces telles que ressorts, visseries, boulonneries…
Le fluide de trempe devra avoir à la fois une faible viscosité pour limiter la consommation par entraînement avec les pièces, et un point d’éclair élevé (dans le cas d’une huile) limitant l’émission de vapeurs qui en remontant par le canal de chute, pollueraient l’atmosphère du four et saliraient les pièces.
En général, on demande au fluide de trempe utilisé l’obtention de pièces blanches.
- Contrôle du pouvoir trempant d’une installation
L’utilisation de l’éprouvette coin, suivant la norme NFT 60179 permettra de caractériser la sévérité globale de trempe d’une installation en prenant en compte l’ensemble des paramètres de chauffage (four) de refroidissement (bac, agitation et fluide).
D’autres types d’éprouvettes sont également utilisés dans l’industrie (éprouvettes à 2 gradins).
Relations utilisateur/fournisseur de fluide de trempe
Les tableaux suivants permettent de définir le problème de trempe et de renseigner le fournisseur afin qu’il préconise le fluide le mieux adapté.
Tableau synoptique d’aide au choix d’un fluide de trempe (d’après l’adaptation d’un document CETIM)
Guide de choix – Utilisateur / Fournisseur
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