Cémentation et durcissement superficiel : les bases

L'idée

Certaines pièces nécessitent deux propriétés contradictoires : une surface qui résiste à l'usure et à la fatigue de contact, et un cœur qui absorbe les chocs sans se fissurer. La cémentation offre les deux à partir d'une seule pièce d'acier à faible teneur en carbone. La pièce est maintenue à environ 880–950 °C dans une atmosphère riche en carbone ; le carbone diffuse dans la surface, et une trempe ultérieure ne durcit que cette couche enrichie — la couche cémentée — tandis que le cœur à faible teneur en carbone reste comparativement tendre et tenace.

Profondeur de cémentation

La profondeur de cémentation est spécifiée comme la profondeur à laquelle la dureté tombe à un niveau défini — couramment 550 HV dans la pratique européenne (CHD, profondeur de durcissement par cémentation). Deux profondeurs comptent :

• Profondeur de cémentation effective (à 550 HV) : généralement environ 0.3–2.5 mm pour les engrenages et les arbres, adaptée à la contrainte de contact et au module de l'engrenage.
• Profondeur de cémentation totale : la zone de diffusion complète, toujours plus profonde que la profondeur effective.

Des couches plus profondes nécessitent un temps de four disproportionnellement plus long, car la profondeur de diffusion croît avec la racine carrée du temps — doubler la profondeur prend environ quatre fois plus de temps.

Potentiel carbone

L'atmosphère du four est contrôlée à un potentiel carbone — le niveau de carbone en surface que l'atmosphère produira dans le fer pur à température. Il est généralement réglé quelque peu en dessous ou près de la région eutectoïde à saturation, souvent autour de 0.8–1.0% C en surface lors de l'étape d'enrichissement. Un potentiel trop élevé forme de la suie, des réseaux de carbures et un excès d'austénite résiduelle ; un potentiel trop faible donne une couche peu profonde et tendre. Les cycles de production utilisent souvent un schéma enrichissement–diffusion : un potentiel élevé pour faire pénétrer le carbone rapidement, puis une étape à potentiel plus faible pour fixer le carbone final en surface et le gradient.

Cœur et couche cémentée après trempe

Après cémentation, la pièce est trempée (directement, ou après un réchauffage pour l'affinage du grain) et revenue à basse température, environ 150–200 °C. La couche à haute teneur en carbone se transforme en martensite dure, généralement autour de 58–62 HRC en surface. Le cœur — toujours seulement environ 0.15–0.25% de carbone — ne durcit que dans la mesure où sa trempabilité le permet, restant beaucoup plus tendre et offrant la ténacité autour de laquelle la pièce est conçue.

Aciers conçus pour la cémentation

Les aciers de cémentation sont par conception à faible teneur en carbone, alliés pour la résistance du cœur et la trempabilité :

• 8620 (AISI) : l'acier d'engrenages nord-américain à usage général, à cœur Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB) : l'acier d'engrenages chinois standard ; le titane bloque le grain pendant les longs cycles de cémentation.
• 16MnCr5 (EN 1.7131) : le cheval de trait européen pour les engrenages petits et moyens.
• Les variantes pour service plus sévère ajoutent du nickel (par ex. 18CrNiMo7-6) lorsque la résistance du cœur dans les grandes sections est critique.

Spécifier une pièce cémentée signifie spécifier ensemble la profondeur de cémentation, la dureté de surface et la dureté du cœur — l'une quelconque de ces exigences seule est incomplète.

Variantes gazeuse, en caisse et à basse pression

La cémentation traditionnelle en caisse dans un composé carboné solide relève désormais largement de l'histoire. La production moderne utilise la cémentation gazeuse dans des fours à atmosphère, où le potentiel carbone est mesuré et contrôlé en continu, ou la cémentation à basse pression (sous vide), où des impulsions de gaz hydrocarbure dans un four sous vide donnent des couches très homogènes sur des géométries d'engrenages complexes sans oxydation de surface — généralement suivie d'une trempe au gaz à haute pression. La métallurgie que le concepteur spécifie est la même dans les trois cas ; ce qui change, c'est l'homogénéité, la propreté, l'économie du cycle et le comportement en déformation que la finition des engrenages doit absorber.