Traitements thermiques des aciers : trempe, revenu, recuit, cémentation

Un acier n'a pas une dureté, il en a plusieurs possibles. Le même rond de 42CrMo4 peut sortir du four mou comme un acier de construction ou dur au point d'user un foret. Ce qui fait la différence, c'est le cycle thermique : à quelle température on chauffe, combien de temps on maintient, à quelle vitesse on refroidit.

Ce guide reprend les quatre traitements que l'on rencontre le plus sur les plans de pièces mécaniques : la trempe, le revenu, le recuit et la cémentation, avec la trempe superficielle par induction en complément. L'objectif est de vous aider à choisir le bon traitement, à l'écrire correctement et à vérifier ce que vous recevez.

Ce qui se passe dans le métal

À température ambiante, un acier non allié est un mélange de ferrite, tendre, et de carbures. Chauffé au-delà d'une température qui dépend de sa composition, en général entre 750 et 900 °C pour les aciers de construction, il change de structure : il devient austénitique et le carbone se dissout.

Tout se joue ensuite au refroidissement :

• Refroidi lentement, l'acier retrouve une structure douce. C'est le principe du recuit.
• Refroidi à l'air calme, il obtient une structure fine et homogène. C'est la normalisation.
• Refroidi très vite, le carbone reste piégé et forme de la martensite, très dure. C'est la trempe.

La dureté maximale de la martensite dépend surtout de la teneur en carbone. Les éléments d'alliage, eux, comme le chrome, le molybdène, le nickel ou le manganèse, ne rendent pas l'acier plus dur, mais lui permettent de durcir plus profondément et avec un refroidissement moins brutal. On appelle cette aptitude la trempabilité. Elle se mesure par l'essai Jominy, décrit dans la norme NF EN ISO 642.

Conséquence pratique : un C45, peu allié, durcit bien en surface mais mal à cœur sur un gros diamètre. Un 42CrMo4 durcit beaucoup plus profondément. Pour une pièce massive qui doit être résistante dans toute sa section, la nuance compte autant que le traitement. Le guide des nuances d'acier courantes aide à faire ce choix.

La trempe : durcir l'acier

La trempe comprend trois temps : chauffage à la température d'austénitisation, maintien pour que toute la section soit à température, puis refroidissement rapide dans un fluide. Le choix du fluide règle la sévérité :

Une pièce qui sort de la trempe est dure mais fragile et chargée de contraintes internes. Elle peut se fissurer en quelques heures si on la laisse ainsi. C'est pourquoi le revenu suit la trempe, idéalement dans la journée.

Le four sous vide mérite une mention : la pièce chauffe sans air, puis est refroidie par un gaz neutre sous pression. Elle ressort propre et grise, sans calamine ni décarburation, et se déforme moins. C'est le traitement de référence pour les aciers à outils, les moules et les pièces de précision. Il est plus cher et convient mal aux nuances peu alliées, qui ont besoin d'un refroidissement plus énergique.

Le revenu : trouver l'équilibre entre dureté et ténacité

Le revenu consiste à réchauffer la pièce trempée à une température nettement inférieure à celle de trempe, à l'y maintenir, puis à la laisser refroidir. On distingue deux familles :

• Le revenu à basse température, autour de 150 à 250 °C, détend les contraintes en conservant presque toute la dureté. Il est utilisé sur les pièces cémentées, les roulements, les outils de coupe et les pièces d'usure.
• Le revenu à haute température, en général entre 500 et 680 °C, sacrifie une bonne partie de la dureté pour gagner beaucoup en résilience. Le couple trempe et revenu porte alors le nom de traitement de bonification, désigné « +QT » dans les normes européennes. C'est l'état des arbres, des axes, des vis de classe 10.9 et de la plupart des pièces de transmission.

Entre les deux, une plage de température donne une perte de ténacité pour certaines nuances. Le traiteur la connaît et l'évite ; c'est une raison de plus pour ne pas imposer une température de revenu sur le plan, mais plutôt la dureté ou la résistance visée.

Pour les aciers à outils fortement alliés, on pratique souvent deux ou trois revenus successifs, afin de transformer l'austénite restée instable après trempe.

Le recuit : adoucir, détendre, préparer

Le mot « recuit » couvre plusieurs traitements très différents. Préciser lequel évite les malentendus.

Le recuit de détente est le plus sous-estimé. Sur une pièce mécano-soudée ou une pièce fortement ébauchée, un passage au four entre ébauche et finition évite qu'elle ne « bouge » après usinage ou en service. Il se place avant la finition, jamais après.

La cémentation : une surface dure sur un cœur tenace

Pour un pignon, un arbre cannelé ou un axe qui frotte, on veut une surface très dure et un cœur qui encaisse les chocs. La cémentation y répond. On part d'un acier à bas carbone, on enrichit sa surface en carbone en le chauffant dans une atmosphère carburante, généralement entre 880 et 980 °C, puis on trempe et on fait un revenu à basse température.

Le résultat : une couche superficielle dure, typiquement autour de 58 à 62 HRC, sur un cœur qui reste résilient.

La profondeur se spécifie en profondeur conventionnelle de cémentation, notée CHD : la distance à la surface où la dureté tombe à 550 HV. Sa mesure est décrite par la norme NF EN ISO 18203, qui a remplacé l'ancienne ISO 2639. Elle se situe couramment entre quelques dixièmes de millimètre et 2 mm. Plus elle est grande, plus le cycle est long et coûteux.

Variantes à connaître :

• La carbonitruration ajoute de l'azote au carbone. Elle donne des couches plus minces et s'applique aux pièces de petite taille, souvent sur des aciers non alliés.
• La cémentation basse pression se fait en four sous vide. Elle évite l'oxydation intergranulaire et se termine par une trempe au gaz, moins déformante.
• La nitruration est une autre technique de durcissement superficiel, à plus basse température et sans trempe. Elle déforme peu et convient aux pièces finies, mais donne des couches plus minces.

Épargner une zone. Si un taraudage ou une portée doit rester usinable, on la protège avant traitement par un vernis ou un dépôt de cuivre, ou on laisse une surépaisseur qu'on enlève après cémentation et avant trempe. Indiquez ces zones sur le plan.

La trempe superficielle par induction

Une bobine parcourue par un courant à haute fréquence chauffe très vite la surface de la pièce, que l'on refroidit aussitôt par une douche. Seule la peau durcit. On l'applique sur des aciers déjà assez chargés en carbone, comme le C45 ou le 42CrMo4, souvent livrés à l'état bonifié.

Ses atouts : un cycle de quelques secondes, une zone durcie localisée, peu de déformation et une intégration possible en ligne de production. Ses limites : il faut un inducteur adapté à la géométrie, ce qui suppose un outillage pour chaque forme de pièce. La profondeur durcie, notée SHD, se mesure elle aussi selon la NF EN ISO 18203, qui a repris l'ancienne ISO 3754. On peut aussi durcir en surface à la flamme ou au laser, sur le même principe.

Vous avez une série à traiter ? Décrivez votre pièce, sa nuance et la dureté visée : les traiteurs thermiques vous répondent avec un cycle et un prix.

Quelle nuance pour quel traitement

Le tableau ci-dessous associe quelques nuances courantes à leur traitement habituel. Les duretés indiquées sont des ordres de grandeur couramment obtenus ; la valeur réelle dépend de la section, du cycle et du revenu.

Pour les aciers de bonification, la norme NF EN ISO 683-2 donne les caractéristiques mécaniques garanties à l'état trempé et revenu, par plage de diamètre. Elle montre bien une chose : plus le diamètre augmente, plus la résistance obtenue à cœur diminue.

Déformations, fissures, décarburation : les risques

Le traitement thermique est l'étape où une pièce bien usinée peut devenir un rebut. Les causes les plus fréquentes :

• Les angles vifs et les variations brusques de section. Ils concentrent les contraintes de trempe et amorcent les fissures. Un rayon de raccordement ou une gorge de dégagement bien placée les évite.
• Les contraintes d'usinage. Une pièce fortement ébauchée « se libère » au four et se voile. Un recuit de détente entre ébauche et finition règle le problème.
• La décarburation. Chauffée à l'air, la surface perd du carbone et ne durcit plus. On travaille sous atmosphère protectrice ou sous vide, ou on laisse une surépaisseur à enlever.
• La dissymétrie. Une rainure de clavette d'un seul côté, une pièce plate et longue : le refroidissement n'est pas symétrique, la pièce se cintre.

La parade classique : laisser une surépaisseur et rectifier les portées fonctionnelles après traitement. La rectification enlève peu de matière, ce qui impose de prévoir la profondeur de cémentation en conséquence.

Écrire le traitement sur le plan

Une indication du type « trempé » sur un plan ne permet pas de chiffrer correctement, ni de contrôler à réception. Une spécification complète contient :

1. La nuance exacte et son état de livraison, par exemple 42CrMo4 +QT ou 16MnCr5 recuit.
2. Le traitement, nommé sans ambiguïté : cémentation, trempe et revenu, trempe par induction, recuit de détente.
3. La dureté visée avec une plage réaliste et son échelle : 58-62 HRC plutôt que « 60 HRC ». Une plage trop étroite ne se garantit pas.
4. La profondeur durcie, avec sa définition : CHD 0,8-1,2 mm à 550 HV, ou SHD pour une trempe superficielle, selon la NF EN ISO 18203.
5. Les zones à durcir et à épargner, repérées sur le dessin.
6. Le contrôle attendu : lieu de mesure de la dureté, profil sur éprouvette témoin, contrôle de fissuration si nécessaire, certificat par lot.

L'ISO 15787 décrit la manière de porter ces indications sur les dessins de pièces en métaux ferreux traitées thermiquement. Si votre plan les respecte, n'importe quel traiteur sérieux comprend la demande.

Contrôler ce que vous recevez

Les échelles ne se convertissent pas exactement l'une dans l'autre ; une table de correspondance donne un ordre de grandeur, pas une équivalence contractuelle. Si vous comparez des duretés de deux fournisseurs, vérifiez qu'elles ont été mesurées dans la même échelle et au même endroit.

Ce qui fait le prix d'un traitement thermique

Un traitement thermique se facture le plus souvent au kilo ou à la charge de four, avec un minimum par commande. Les postes qui comptent :

• Le remplissage du four. Une petite quantité seule dans un four paie le cycle complet. Si votre délai le permet, un traitement groupé avec d'autres charges coûte moins cher.
• La durée du cycle. Une cémentation profonde demande de longues heures de maintien.
• Le type de four. Le vide coûte plus cher que l'atmosphère, mais économise souvent une reprise d'usinage.
• Le montage. Les pièces fragiles ou longues se suspendent ou se calent une à une.
• Les opérations annexes : épargnes, redressage, sablage ou lavage après traitement.
• Les contrôles et les documents : éprouvettes, profils de dureté, certificats.

Pour comparer les offres, envoyez la même spécification complète à plusieurs ateliers. Vous trouverez les traiteurs thermiques référencés dans l'annuaire des traitements thermiques et de surface et une présentation générale du secteur sur la fiche métier. Pour la protection contre la rouille, qui relève d'autres procédés, consultez le comparatif des protections anticorrosion de l'acier. Quand votre plan est prêt, lancez une demande de devis en traitement thermique.