Cementation - resume de cours PDF

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resume de cours...

Description

Ecole nationale d’ing´enieurs de Sfax

D´epartement g´enie des mat´eriaux

La c´ ementation

projet prepar´e par : Anwer MOUSSA GMMI 1 S1 Sous la direction de : prof.Mme H´ela SOUSSI FARTHAT

ann´ee universitaire : 2019-2020

Table des mati` eres 1 D´ efinition et principe de c´ ementation 1.1 definition de la cementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Principe de la cementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4

2 Proc´ ede de c´ ementation 2.1 C´ementation par agent solide (par c´ement solide) . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 C´ementation gazeuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 C´ementation par des agents liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 6 7

3 Traitements thermiques apr` es c´ ementation

8

4 Profondeur conventionnelle de c´ ementation

9

5 Aciers pour c´ ementation

9

Table des figures 2 3 4 5 6 7 8

Duret´e en fonction du % de carbone . . . . . . . . Principe de la cementation . . . . . . . . . . . . . Phases de c´ementation . . . . . . . . . . . . . . . Principe de la C´ementation par agent solide . . . Principe de la cementation gazeuse . . . . . . . . Principe de la cementation par des agents liquids c´ementaion + trempe + revenu . . . . . . . . . .

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3 4 4 6 7 8 8

epaisseur de la couche de cementation en fonction de temperature et temps les Aciers pour c´ementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 9

Liste des tableaux 1 2

List of Equations 1 2 3 4

formation de CO2 a partir de carbonate de baryum BaCO3 . . . . formation de carbone atomique et CO2 a partir de CO2 . . . . . . formation de carbone atomique et dihydrog`ene a partir de m´ethane transformation de carbone atomique en aust´enite par fusion . . . .

2

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6 7 7 7

´ ´ 1 D EFINITION ET PRINCIPE DE CEMENTATION

1 1.1

D´ efinition et principe de c´ ementation definition de la cementation

La c´ementation est un traitement thermochimique de diffusion en carbone de la couche superficielle de l’acier et ayant pour but principal, l’obtention d’une surface dure et r´esistance a` l’usure pas enrichissement de la couche superficielle en carbone jusqu’`a une concentration de 0,7 a` 0.9 % C par mise en contact avec un milieu riche en carbone `a haute temp´erature (g´en´eralement 900 a` 980C). L’op´eration de diffusion est suivie d’une op´eration de trempe afin d’obtenir de la martensite en surface am´eliorant ainsi la duret´ e (700 a` 900 HV) et par un revenu a` basse temp´erature. Ce proc´ed´e accroˆıt ´egalement la limite de fatigue. On sait que le durcissement superficiel d’un alliage fer-carbone est directement reli´e a` sa teneur en carbone (figure 2). La recherche d’une duret´e maximale conduit `a obtenir des teneurs superficielles en carbone comprises entre 0,7 et 0,9 % de carbone.

Figure 2 – Duret´e en fonction du % de carbone Appliqu´ee sur un acier `a faible teneur en carbone, la c´ementation est un moyen de durcissement superficiel permettant d’assurer une forte mise en pr´econtrainte de compression de la surface et une bonne r´esistance a` l’usure grˆ ace `a l’obtention d’une martensite `a haute teneur en carbone, tout en garantissant a` cœur une bonne ductilit´e grˆ ace `a l’obtention d’une martensite a` bas carbone . Les profondeurs de diffusion du carbone seront pratiquement limit´ees a` 2 mm pour des raisons ´economiques ´evidentes. Ce traitement s’effectue sur de aciers `a faible pourcentage en carbone (C < 0,25 %), donc non trempant, poss´edant une bonne ductilit´e en vue d’augmenter la duret´e superficielle (figure3). Anwer Moussa GMMI1 S1

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1.2 Principe de la cementation

´ ´ 1 DEFINITION ET PRINCIPE DE CEMENTATION

Figure 3 – Principe de la cementation

1.2

Principe de la cementation

Les pi`eces `a c´ementer sont mises en pr´esence d’un corps riche en carbone appel´e c´ement (El´ement apportant le C). Celui-ci peut-ˆetre solide, liquide ou gazeux. L’ensemble (pi`ece c´ement) est port´e a` une temp´erature ´elev´ee (875 a` 925 C) n´ecessaire `a la diffusion du carbone. La c´ementation s’effectue en trois temps (Figure 4) • Production du carbone • Absorption du carbone `a la surface de la pi` ece. • La diffusion du carbone : `a l’int´erieur de la pi`ece. La teneur souhait´ee de carbone en surface est comprise entre 0.7 et 0.9 % de carbone La profondeur de la couche c´ement´ ee et la rapidit´e de l’op´eration sont fonction des trois param`etres suivants : • Le pouvoir c´ementant du c´ ement caract´eris´e par son potentiel carbone. • La cin´etique de r´eaction gaz-m´etal . • La diffusion du C dans l’acier

Figure 4 – Phases de c´ ementation Anwer Moussa GMMI1 S1

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´ ´ 2 PROC EDE DE C EMENTATION

2

Proc´ ede de c´ ementation Il existe trois modes essentiels de c´ementation. — Par agents solides contenant du carbone. — Par gaz. — Par agents liquides.

2.1

C´ ementation par agent solide (par c´ ement solide)

Dans ce cas, on utilise comme agent de concentration le charbon de bois activ´e de bouleau ou de chˆ ene en grains, de semi-coke de houille et de coke de tourbe. Pour activer la c´ementation, on ajoute de 10 a` 40 % du poids du charbon, le carbonate de baryum BaCO3 et le carbonate de sodium Na2CO3. Le c´ement solide, largement utilis´ ee, se compose de charbon de bois, de 20 `a 25 % de BaCO3 et jusqu’` a 3,5 % de CaC03 que l’on ajoute pour pr´evenir le filtrage (equation 1). Les pi`eces pr´evues pour la c´ementation sont pr´ealablement d´ecap´ ees ensuite plac´ees dans des caisses en acier. Lors de la pose des pi`eces, on couvre le fond de la caisse d’une couche de c´ement, dam´ee de 20 a` 30 mm d’´epaisseur, sur laquelle est plac´ee la premi`ere s´erie de pi`eces en maintenant une distance de 10 `a 15 mm entre les pi`eces et les parois lat´erales. Ensuite cette premi`ere couche de pi`eces est couverte d’une couche de c´ement dam´ee de 110 a` 115 mm d’´epaisseur, sur laquelle on pose la deuxi`eme couche de pi`eces etc. La couche sup´erieure des pi`eces est couverte d’une couche de c´ement de 35 `a 40 mm d’´epaisseur pour compenser son retrait ´eventuel. La caisse est couverte d’un couvercle dont les bords sont mastiqu´es avec de l’argile r´efractaire ou avec un m´elange d’argile et de sable de rivi`ere p´etris dans l’eau jusqu’`a l’´etat pˆ ateux. u la temp´erature de c´ementation varie de 910 a` La caisse est plac´ ee dans un four (figure5)o` 930C. Le maintien a` la temp´erature de c´ementation est de 7 a` 9 min par centim`etre de la dimension maximale de la caisse. Apr`es c´ementation, les caisses ne sont ouvertes qu’apr`es leur refroidissement a` l’air jusqu’` a 400 ou 500C. G´en´eralement l’´epaisseur de la couche a` c´ementer est choisie selon la temp´erature et dur´ee de c´ementation (tableau 1).

Dur´ee en heures T en C 850 C 900 C

Epaisseurs de la couche de c´ementation en mm 1h 2h 10 h 30h 60h 0.4 mm 0.8 mm 1.2 mm 1.5 mm 2.5 mm 0.6 mm 1.2 mm 1.5 mm 2.5 mm 4.5 mm

Table 1 – epaisseur de la couche de cementation en fonction de temperature et temps Ce type de c´ementation s’effectue avec du carbone atomique Cat, ce dernier est obtenu Anwer Moussa GMMI1 S1

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´ ´ 2 PROCEDE DE C EMENTATION

2.2 C´ementation gazeuse

Figure 5 – Principe de la C´ementation par agent solide de la fa¸con suivante. La caisse de c´ementation contient de l’air dont l’oxyg`ene r´eagit `a une temp´erature ´elev´ee avec le carbone de c´ement pour produire de l’oxyde de carbone, en pr´esence du fer, l’oxyde de carbone se dissocie. Le carbone ainsi obtenu est atomique au moment de sa formation. Il diffuse dans l’aust´enite, l’addition des carbonates rend le c´ement beaucoup plus actif et enrichit l’atmosph`ere carburante en oxyde de carbone. BaCO3 + C −→ BaO + 2 CO

(1)

Le c´ement employ´e est `a l’´etat granul´e, ce qui favorise le d´eplacement des gaz et permet d’obtenir une vitesse de d´eplacement plus ´elev´ee.

2.2

C´ ementation gazeuse

Dans ce proc´ed´e, la pi`ece a` c´ ementer est chauff´ee dans un milieu de gaz contenant du carbone(equation 2). Cette forme de traitement pr´esente beaucoup d’avantages par rapport a` la c´ementation par agent solide, elle permet d’obtenir une concentration exacte du carbone dans la couche `a c´ementer, diminue la dur´ee du processus en rendant inutile le chauffage pr´ealable des caisses remplies de c´ ement etc. La meilleure couche c´ement´ee s’obtient en employant comme agent de c´ementation le gaz naturel CH4 (figure 6) , ainsi que les m´elanges de propane et de butane soumis `a un traitement sp´ecial La r´eaction principale qui assure la carburation est la dissociation du m´ethane et de l’oxyde de carbone (equations 3 , 4 ) 2 CO −→ CO2 + Cat Anwer Moussa GMMI1 S1

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(2)

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´ DE C EMENTATION ´ 2 PROCEDE

2.3 C´ementation par des agents liquids

Figure 6 – Principe de la cementation gazeuse

CH4 −→ 2 H2 + Cat

(3)

Cat −→ ferγ

(4)

Ou :

La c´ementation gazeuse s’op`ere le plus souvent dans des fours a` moufle et sans moufle, `a marche continue, ainsi que dans les fours `a cuve a` marche discontinue. La c´ementation s’effectue a` la temp´erature de 930 a` 650C, la dur´ee de l’op´eration assurant l’obtention d’une couche de 0,7 a` 1,5 mm d’´epaisseur dans les fours a` moufle ou a` marche continue est de 6 a` 12 heures, on peut acc´el´erer l’op´eration en faisant circuler les gaz ou augmenter la temp´erature de c´ementation jusqu’` a 1000 `a 1050C a` condition que les aciers employ´ es soient `a grains fins par h´er´edit´e. La c´ementation est acc´el´er´ee ´egalement si les pi`eces sont fabriqu´ees par des m´ethodes de d´eformation plastique a` froid.

2.3

C´ ementation par des agents liquids

La c´ementation liquide est effectu´ee dans un bain des sels fondus riche en produits carburants ( Na2CO3 ) (figure 7), le processus de c´ementation est plus acc´el´er´e que les autres m´ethodes et la c´ementation peut ˆetre effectu´ee rapidement a` la temp´erature de 850C. Le m´elange des sels fondus contient le cyanure de sodium (45%), le chlorure de sodium (18%), le carbonate de sodium (37%), parfois, on utilise dans ce m´elange du carbure du silicium, Les deux derniers sels jouent le rˆ ole de mod´eration, ´evitant une p´en´etration trop de carbone dans l’acier. Ils r´eduisent l’´evaporation du cyanure qui fond a` 560C, cependant le bain s’appauvrit par oxydation au contact de l’air. L’agent actif est le cyanog`ene. Ces bains diffusent en outre de l’azote dans le m´etal. La c´ementation par agent liquide perAnwer Moussa GMMI1 S1

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` C EMENTATION ´ 3 TRAITEMENTS THERMIQUES APRES

Figure 7 – Principe de la cementation par des agents liquids met d’obtenir les mˆemes profondeurs de c´ementation pour les temps plus courts relativement a` la c´ementation par agent solide et gazeux. la source des figure qui expliquent les diff´erents proc´edure de c´ementation est le suivante : http://www.geocities.ws/mbara2/cementation.html

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Traitements thermiques apr` es c´ ementation

Le durcissement de la couche c´ement´ee s’obtient par trempe, en g´en´eral `a l’huile. Apr`es trempe, les pi`eces peuvent subir un revenu de d´etente vers 150 `a 190 C pour augmenter la t´enacit´e de la couche superficielle par relaxation partielle des contraintes(figure8).

Figure 8 – c´ementaion + trempe + revenu En plus de la martensite, la couche superficielle peut comprendre : • de l’aust´enite r´esiduelle (tr`es d´efavorable `a la duret´e mais bonne pour la r´esistance `a la fatigue en flexion) Anwer Moussa GMMI1 S1

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´ 5 ACIERS POUR CEMENTATION • de la bainite et de la perlite dont la pr´esence est essentiellement li´ee au ph´enom`ene d’oxydation interne. • de la bainite et de la perlite dont la pr´esence est essentiellement li´ee au ph´enom`ene d’oxydation interne.

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Profondeur conventionnelle de c´ ementation

La profondeur conventionnelle de c´ementation est d´efinit par la distance entre la surface et la couche dont la duret´e Vickers est HV= 550 lorsqu’on la mesure sous une charge de 9.807 N. Cette profondeur d´ epend donc du profil de la teneur en carbone, du degr´e de transformation martensitique des divers points de la couche enrichie et de la pr´esence ´eventuelle d’aust´enite r´esiduelle.

5

Aciers pour c´ ementation

Ce sont des aciers (tableau 2) `a grain fin et a` basse teneur en carbone. Les aciers de construction non alli´es et alli´es sp´eciaux pour c´ementation se classent en six familles indiqu´ees dans le tableau suivant : Types Aciers Aciers Aciers Aciers Aciers

d’aciers au carbone au mangan`ese-chrome au chrome-molybd`ene au nickel-chrome au nichel-chrome-molybd`ene

Nuances C10-C12-C18 16MoCr5-20MoCr5 18CrMo4 10NCr6-16NiCr6-20NiCr614NiCr11 20NiCrMo2-18NiCrMo6

Table 2 – les Aciers pour c´ementation

R´ esum´ e la c´ementationt est un traitement thermochimique effectu´ e dans un milieu convenablement choisi pour obtenir une modification de la composition chimique du m´etal de base, par e´change avec ce milieu. Dans le cas de ces traitements, les ´el´ements mis en jeu pour enrichir la couche superficielle du m´etal sont apport´es par des milieux qui peuvent ˆetre solides (c´ ements), liquides (bain de sels), gazeux. L’op´eration de diffusion est suivie ou non, selon la nature des e´l´ements apport´ es, d’un traitement thermique de durcissement par trempe provoquant la transformation aust´enite (martensite de la couche enrichie).

Anwer Moussa GMMI1 S1

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´ ERENCES ´ REF

´ ERENCES ´ R EF on cite les r´ef´erences suivantes : [1] , [2] , [3]

R´ ef´ erences [1] Jean-Louis Fanchon. Guide des sciences et technologies industrielles. Nathan, 2013. ˆ [2] Robert L ´EVEQUE. Traitements superficiels des aciers a` outils. 2013. [3] GUELAI Noussaiba and BOUTARFIF Fatma. Comportements m´ ecaniques Des aciers faiblement alli´es avant et apr`es c´ementation. PhD thesis, 2016.

Anwer Moussa GMMI1 S1

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