Traitement par le froid ou traitement cryogénique ou sub-zéro
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.
Principe :
Le traitement par le froid (ou traitement cryogénique) consiste à refroidir les pièces mécaniques en dessus de la température ambiante après un traitement thermique de trempe. La température de maintien se situe entre 0°C et -150°C (le plus souvent entre -80 et -100°C pour les aciers).
Justification du traitement par le froid sur les aciers.
La nécessité d’atteindre une température inférieure à la température ambiante suppose que des transformations métallurgiques peuvent intervenir pour des températures atteintes inférieures à celle-ci. C’est le cas notamment de certains alliages fer-carbone pour lesquels le point Mf de fin de transformation de l’austénite en martensite est lui-même inférieur à 0°C, d’où la subsistance après trempe d’austénite résiduelle (ou austénite retenue).
Mf dépend de la teneur en carbone et de la composition chimique en éléments d’alliage.
Mf (°C) = (361 à 461) – 474 (C %) – 33 (Mn %) – 14 (Cr %) – 21 (Mo %)
(Loi de Steven et Haynes) pour les aciers faiblement alliés.
Mf est inférieure à 0°C dès l’instant que la teneur en carbone est supérieure à l’eutectoïde (0,8 % carbone en l’absence d’éléments d’alliage), d’où un risque accru d’austénite résiduelle après un traitement de cémentation.
L’existence d’austénite résiduelle dans la structure constitue une situation instable, celle-ci se décomposera si la température s’abaisse suffisamment pour atteindre la température Mf. Elle pourra également se transformer sous l’action de conditions déstabilisantes : fortes contraintes, vibrations, efforts cycliques.
L’austénite se décomposera alors de façon non maîtrisée en martensite (dite parfois martensite secondaire) en produisant des
déformations volumiques et des risques de surtensions locales pouvant aller jusqu’à la fissuration. Cette martensite non revenue est par ailleurs fragile.
A côté de la martensite, l’austénite est un constituant de faible dureté. Sa présence se traduit par des plages douces.
Le traitement par le froid aura donc pour effet sur les aciers contenant de l’austénite résiduelle :
d’augmenter la dureté et la limite élastique avec corrélativement une baisse de résilience et une augmentation des contraintes internes,
d’augmenter la stabilité dimensionnelle des pièces. Il est ainsi particulièrement recommandé pour les calibres, les éléments à jeux très serrés.
Il est indispensable sur les organes mécaniques destinés à être montés par ajustement serré, par frettage à l’azote liquide ou travaillant à des basses températures (cas des éléments d’organes cryogéniques ou des pièces de structure aéronautique).
Justification du traitement par le froid sur les alliages d’aluminium
Après trempe les alliages d’aluminium aptes au durcissement par traitement thermique sont au maximum de leur malléabilité (état de trempe fraîche), ils durciront par revenu ou par maturation vieillissement. Sur les pièces devant subir des opérations de déformation ou calibrage entre la trempe et la mise au niveau de dureté final, l’état malléable est maintenu en faisant séjourner ces pièces dans un caisson froid de façon a retarder le départ de la maturation. Ce séjour permettra de prélever les pièces au fur et à mesure des disponibilités des équipements de déformation avant que la maturation ne s’engage.
APPLICATIONS DU TRAITEMENT PAR LE FROID
Applications industrielles sur les aciers
Outils de déformation
Outils de coupe
Pièces en fontes alliées extra dures
Pièces cémentées
Calibres et jauges
Poinçons de découpe de précision
Pièces aéronautiques
Précautions de mise en œuvre
L’immersion dans un milieu à très basse température constitue un choc thermique pouvant amener des risques de tapures. C’est la raison pour laquelle on pourra préconiser un revenu de détente à faible température (125°C par exemple) de façon à réduire la fragilité de la martensite qui va être exposée au froid et aux contraintes de la formation de martensite secondaire, même si cela peut stabiliser l’austénite résiduelle. On privilégiera l’immersion dans une enceinte à air refroidi plutôt que dans un liquide froid tel que l’azote liquide ou les mélanges azote – alcool.
Après passage au froid, l’austénite préalablement retenue est totalement transformée en martensite fraîche qui doit être rapidement soumise à un revenu de détente afin d’éviter les risques de tapures différées.
Matériel utilisé
Caisson isothermique d’azote liquide
Armoire réfrigérée par compresseur (température limite – 100°C)
Armoire réfrigérée par serpentin à circulation d’azote liquide (le débit d’azote régule la température)
Certains de ces caissons sont dotés d’un moyen de chauffage pour ramener les pièces une température supérieure à la température ambiante.
Types de matériaux adaptés à l’application
Aciers X 100 Cr Mo 17, X 200 Cr 12, 90 Mn Cr W 5
Aciers rapides et semi rapides
Aciers cémentés : 16 Ni Cr 12, 16 Cr Ni Mo 13, 20 Ni Mo 14, 16 Cr Mn 6, etc.
Aciers pour roulements type 100 Cr 6
Exemples d’application de gammes types
Calibre fileté matière X 200 Cr 12
Ebauche globale
Usinage finition et filetage avec réserve de rectification
Trempe
Revenu 180°C
Passage au froid – 80°C
Revenu 180°C
Rectification
Pièce aéronautique X 100 CrMo 17
Usinage ébauche
Stabilisation
Usinage finition
Passage au froid – 80°C
Revenu 160°C
Passage au froid – 80°C
Revenu 160°C
Passage au froid – 80°C
Revenu 160°C
Application sur les alliages d’aluminium
Exemple : sur pièce en alliage 7075 après trempe fraîche maintien inter opération en chambre froide à –23°C, capacité à ramener de la température ambiante à – 23°C en moins de 15min, sans dépasser – 18°C dans la chambre.
Mise en œuvre
Equipement principal (four, réacteur, ligne, machine…)
Energie et fluides ( gaz, produits chimiques, liquides de trempe, sels…)
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