Application du traitement thermique aux fixations en acier inoxydable

Les fixations en acier inoxydable, notamment les boulons, écrous, vis et rondelles, sont largement utilisées dans les industries de l'aérospatiale, de l'automobile, de la construction maritime, de la pétrochimie, de la transformation alimentaire et de la construction en raison de leur excellente résistance à la corrosion, de leurs propriétés mécaniques et de leur durabilité. Cependant, l'acier inoxydable tel que moulé ou tel que formé ne parvient souvent pas à répondre aux exigences de performance strictes des environnements de travail complexes, telles que la résistance élevée, la résistance à l'usure, la stabilité dimensionnelle et la résistance au soudage à froid (grippage). Le traitement thermique, en tant que technologie de traitement cruciale, peut réguler la microstructure des fixations en acier inoxydable sans modifier leur forme de manière significative, optimisant ainsi leurs propriétés mécaniques et leur durée de vie. Cet article détaille les processus de traitement thermique courants pour les fixations en acier inoxydable, leurs principes d'application, les adaptations spécifiques aux matériaux et les pratiques d'application industrielle.

1. Aperçu du traitement thermique des fixations en acier inoxydable

L'objectif principal du traitement thermique des fixations en acier inoxydable est d'ajuster la structure cristalline interne, d'éliminer les contraintes internes générées lors du formage (telles que la frappe à froid et l'usinage) et d'équilibrer la relation entre la résistance, la dureté, la ductilité, la ténacité et la résistance à la corrosion. Contrairement aux fixations en acier au carbone, l'acier inoxydable contient des éléments d'alliage tels que le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdène (Mo) et le titane (Ti), qui forment un film d'oxyde passif sur la surface pour résister à la corrosion. Par conséquent, le traitement thermique des fixations en acier inoxydable doit non seulement améliorer les propriétés mécaniques mais également éviter d’endommager ce film passif ou de réduire la résistance à la corrosion.

Le choix des procédés de traitement thermique dépend du type d'acier inoxydable (austénitique, martensitique, ferritique, duplex), des exigences de performance des fixations et de leurs scénarios d'application. Les processus courants comprennent le traitement en solution, le recuit, la trempe et le revenu, le durcissement par précipitation, le durcissement de surface et la relaxation des contraintes, chacun ayant des caractéristiques et des domaines d'application distincts.

2. Processus courants de traitement thermique et leurs applications

2.1 Traitement en solution (recuit en solution)

Le traitement en solution est le processus de traitement thermique le plus basique et le plus largement utilisé pour les fixations en acier inoxydable austénitique (telles que les nuances 304, 316, 321) et les fixations en acier inoxydable duplex. Le processus consiste à chauffer les fixations à une température supérieure à la limite de solubilité des carbures (généralement 1 000 à 1 200 °C pour l'acier inoxydable austénitique), à ​​les maintenir à cette température pendant une certaine période pour assurer la dissolution complète des carbures (tels que les carbures de chrome) dans la matrice austénitique, puis à les refroidir (trempe) rapidement dans l'eau ou l'air pour obtenir une microstructure austénitique uniforme.

La fonction clé du traitement en solution est d'éliminer la précipitation intergranulaire des carbures, ce qui empêche la corrosion intergranulaire, un mode de défaillance courant des fixations en acier inoxydable dans des environnements corrosifs tels que les industries marines et de transformation chimique. De plus, le traitement en solution améliore la ductilité et la ténacité des fixations, facilitant les processus de formage ultérieurs (tels que le laminage de filetage) et garantissant la stabilité dimensionnelle pendant le service. Par exemple, les fixations en acier inoxydable 316L utilisées dans les équipements marins doivent subir un traitement en solution pour améliorer leur résistance à la corrosion par les chlorures et maintenir leur intégrité structurelle dans des environnements salés et humides.

2.2 Recuit

Le recuit est un processus de traitement thermique qui vise à ramollir les fixations en acier inoxydable, à soulager les contraintes internes, à améliorer l'usinabilité et à homogénéiser la microstructure. Le procédé varie légèrement selon le type d'acier inoxydable : pour l'acier inoxydable austénitique, le recuit est souvent associé à un traitement en solution (recuit en solution) ; pour l'acier inoxydable ferritique, le recuit est effectué entre 700 et 900 °C, suivi d'un refroidissement lent pour éliminer les contraintes résiduelles et améliorer la ductilité ; pour l'acier inoxydable martensitique, le recuit est utilisé pour ramollir le matériau après trempe, réduisant ainsi la fragilité et facilitant l'usinage.

Dans la production de fixations en acier inoxydable, le recuit est souvent appliqué avant la frappe à froid ou l'usinage du filetage. Par exemple, avant la frappe à froid des boulons en acier inoxydable martensitique 17-4 PH, un recuit à 800–850°C peut ramollir le matériau, réduire la résistance lors du formage à froid et éviter la fissuration des fixations ou l'usure excessive des moules, réduisant ainsi les coûts de production. De plus, le recuit de détente (un type de recuit) est utilisé pour traiter les fixations après le soudage ou l'usinage, en les chauffant à 600-800°C et en les refroidissant lentement pour éviter la déformation ou la fissuration causée par les contraintes résiduelles pendant le service.

2.3 Trempe et revenu

La trempe et le revenu sont principalement appliqués aux fixations en acier inoxydable martensitique (telles que les nuances 410, 420) et à certaines fixations en acier inoxydable à durcissement par précipitation qui nécessitent une résistance et une dureté élevées, telles que les fixations utilisées dans les pièces mécaniques à haute contrainte et les composants aérospatiaux. Le processus comprend deux étapes : la trempe et le revenu.

La trempe consiste à chauffer les fixations à la température d'austénitisation (850-1 050°C pour l'acier inoxydable martensitique), à ​​les maintenir pendant une certaine période, puis à les refroidir rapidement dans de l'huile ou de l'eau pour transformer la matrice austénitique en martensite, augmentant ainsi considérablement la dureté et la résistance des fixations. Cependant, les fixations en acier inoxydable martensitique trempées sont très fragiles et contiennent des contraintes résiduelles importantes, le revenu doit donc être effectué immédiatement après la trempe.

La trempe consiste à réchauffer les fixations trempées à une température plus basse (150 à 650°C), à les maintenir pendant une certaine période, puis à les refroidir à température ambiante. Ce processus réduit la fragilité, soulage les contraintes résiduelles et ajuste l'équilibre entre la dureté, la résistance et la ténacité des fixations. Par exemple, les boulons en acier inoxydable 410 utilisés dans les composants de moteurs automobiles subissent une trempe et un revenu pour atteindre une dureté de HRC 35 à 45, garantissant qu'ils peuvent résister à des charges élevées et à des vibrations répétées sans déformation ni fracture.

2.4 Durcissement par précipitation

Le durcissement par précipitation (également connu sous le nom de durcissement par vieillissement) est un processus de traitement thermique spécialisé pour les fixations en acier inoxydable à durcissement par précipitation, telles que les qualités 17-4 PH, 17-7 PH, qui sont largement utilisées dans les industries aérospatiale, pétrochimique et de production d'électricité en raison de leur haute résistance et de leur bonne résistance à la corrosion. Le procédé comprend trois étapes : le traitement de la solution, le refroidissement (pour obtenir une solution solide sursaturée) et le vieillissement (précipitation des phases de renforcement).

Tout d'abord, les fixations sont soumises à un traitement en solution à 1 020-1 060°C pour dissoudre les éléments d'alliage (tels que le cuivre, le niobium) dans la matrice austénitique, puis rapidement refroidies à température ambiante pour obtenir une solution solide de martensite ou d'austénite sursaturée. Ensuite, un traitement de vieillissement est effectué entre 480 et 620 °C, au cours duquel des phases de renforcement fines et uniformes (telles que des précipités riches en cuivre) sont précipitées à partir de la solution solide sursaturée, améliorant considérablement la résistance et la dureté des fixations sans sacrifier la résistance à la corrosion. Par exemple, les fixations en acier inoxydable 17-4 PH, après durcissement par précipitation, peuvent atteindre une résistance à la traction allant jusqu'à 1 170 MPa et une dureté Rockwell C38, ce qui les rend adaptées aux composants d'avions et aux équipements pétrochimiques à haute pression.

2.5 Durcissement superficiel

Les fixations en acier inoxydable souffrent souvent de grippage (soudage à froid) lors du montage et du démontage, en particulier dans les scénarios de contact métal sur métal avec des couples de serrage élevés. Le grippage est principalement causé par une faible dureté de surface, une rugosité de surface excessive ou un manque de lubrification, et peut conduire à un coincement des fixations, rendant le retrait extrêmement difficile sans endommager les composants. Le durcissement de surface est une solution efficace à ce problème, car il ne durcit que la couche superficielle (quelques à plusieurs dizaines de microns) des fixations, améliorant ainsi la résistance à l'usure et au grippage tout en maintenant la résistance à la corrosion et la ténacité du matériau de base.

Les processus courants de durcissement de surface pour les fixations en acier inoxydable comprennent la nitruration, la carburation et les processus exclusifs basés sur la diffusion tels que Kolsterising® et Super Expanite®. Le Kolsterising®, un procédé de diffusion à basse température, augmente considérablement la dureté de surface des fixations (généralement supérieure à 1 000 HV) sans modifier leurs dimensions ou leur finition de surface, ce qui le rend adapté aux fixations en acier inoxydable austénitique et duplex utilisées dans les équipements de précision. Super Expanite® résout les défauts des processus de durcissement de surface traditionnels (tels qu'une résistance réduite à la corrosion et une faible profondeur de durcissement) en durcissant à la fois la couche la plus externe et le matériau sous-jacent, améliorant ainsi encore la résistance à la corrosion et à l'usure. Ces processus de durcissement de surface sont largement utilisés dans les fixations pour équipements médicaux, machines de précision et traitements chimiques, où la résistance au grippage et à la corrosion sont essentielles.