Traitement thermique des métaux
Trempe des métaux grâce au chauffage superficiel par induction
1/ Rappel historique
Au début du vingtième siècle, les premiers systèmes de chauffage par courants induits furent brevetés.
Ce type de chauffage était surtout réservé à la fusion ou le recuit des métaux. A partir de 1936 la trempe par chauffage superficiel par induction commença à être industrialisée.
Ce procédé fut nommé TOCCO et la société Ohio à Crankshaft aux USA industrialisa la technique.
Après la seconde guerre mondiale, beaucoup de sociétés issues de la mécanique, de l’automobile eurent recours à ce type de
traitement thermique.
Ces traitements thermiques s’appliquèrent aux différents aciers mi-durs, aux aciers carbone et aux aciers avec alliages divers.
Ces aciers sont moins coûteux que les aciers utilisés avec des traitements thermochimiques comme la cémentation et la carbonitruration.
On engendre des économies sur les prix mais aussi sur certains métaux restreints comme le molybdène, le cobalt…etc.
Cette technique de traitement thermique superficielle par induction s’est fortement développée par la suite pour devenir une activité majeure de nos jours.
2/ Caractéristiques du traitement thermique après une chauffe superficielle par induction
La trempe après une chauffe par induction est une opération qui est localisée et cette technique permet d’obtenir une zone durcie sur une épaisseur limitée. Cette zone est appelée « couche superficielle.
Afin de durcir cette zone par refroidissement, il est nécessaire de la porter au préalable à une température comprise entre 800°C et 1100°C grâce à un générateur à induction dont la fréquence peut varier en fonction de l’application.
En général on parle de basses, moyennes et hautes fréquences selon l’application à traiter.
La pièce est refroidie après un temps de chauffe assez court, de manière à éviter que la température se diffuse à l’intérieur de la pièce chauffée, car en général ce type d’acier est un bon conducteur thermique.
La trempe se fait en général dans un milieu dit à « sévérité élevé » soit par exemple comme l’eau additivée.
La sévérité est une valeur qui détermine l’efficacité du refroidissement du milieu de la trempe par rapport à une ambiance idéale dans laquelle le transfert de chaleur serait identique à celui du milieu de la pièce.
A titre d’information, voici ci-dessous l’unité de mesure de cette « sévérité ».
L’ambiance de trempe (regroupant effets et propriétés du liquide et du système de trempe) est caractérisée par différents paramètres.
1/ Le nombre de Biot selon la formule : h = α / λ
a / α coefficient de transfert de la chaleur du métal ou évacuation de la chaleur du métal vers le milieu de trempe
b / λ conductivité thermique du métal qui varie selon le métal utilisé
La sévérité de la trempe dénommée H est définie par Grosmann selon la formule suivante :
H = α / 2λ de façon à ce que H soit égal à inches-1 pour l’eau.
Soit H = 1 inches-1 pour l’eau.
Les huiles non dopées, non agitées refroidissent environ quatre fois plus lentement que l’eau ont une sévérité H exprimée selon la formule :
H = 0,25 in-1.
En général l’industrie métallurgique impose une pénétration de la tempe de 0,3 mm à 6 mm en fonction de la géométrie de la pièce à traiter.
Cette profondeur de trempe est exprimée par le symbole Ɛ.
Cette épaisseur Ɛ ne doit pas excéder un tiers du diamètre de la pièce à traiter. Certaines contraintes fixent des dimensions du 1/5 voire même du 1/10 du rayon de la dite pièces.
Voir figure ci-dessous.
δ : Pénétration du courant induit dans la pièce
∆ : Pénétration de la chaleur par conduction thermique
Chauffe localisée de la trempe suite à un chauffage par induction
Ɛ : profondeur de la trempe
Ɛ = δ + ∆
Les facteurs qui influencent la profondeur de la trempe sont multiples, mais nous retiendrons les deux principaux éléments qui sont prépondérants dans Ɛ= profondeur de la trempe.
A/ La fréquence du courant induit utilisée : plus la fréquence est basse, plus la pénétration du chauffage par induction sera importante, et donc plus la fréquence du courant induit est élevée, plus la pénétration sera faible.
A titre d’exemple, une fréquence de 1 Mhz pénétrera le métal seulement de quelques microns de millimètre seulement. Ci-dessous une courbe très explicite est représentée pour montrer quelques exemples selon les métaux utilisés.
Figure
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Courbe représentant la pénétration d’un courant induit en fonction de sa fréquence dans différents métaux.
Dans ce cas-ci, la fréquence est bornée de 10 KHz à 1 MHz. Quand on multiplie la fréquence par 100, on divise la profondeur de pénétration par 10.
B / La forme de la pièce à traiter est le deuxième facteur important. La disposition de la pièce dans l’inducteur est un paramètre important, car l’inducteur doit assurer un effet de couplage idéal pour obtenir le meilleur rendement possible tout en évitant des écarts de température trop importants entre les différentes parties de la pièce à traiter.
C / Deux autres paramètres à retenir sont le temps de chauffe et la densité de puissance appliquée à la pièce. La densité de puissance est le nombre de watts injectés par unité de surface. Exemples : 100 Watts par cm² ou 10 Watts par cm².
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