Choix de l'acier pour engrenages : cémentation vs trempe à cœur

Deux philosophies

Une dent d'engrenage a besoin d'une surface dure et résistante à l'usure pour la résistance au contact (piqûres) et d'un cœur tenace pour la résistance à la flexion. Deux familles d'aciers offrent cet équilibre différemment.

Aciers de cémentation

Les aciers alliés à bas carbone — 8620, 16MnCr5, 20MnCr5, 20CrMnTi — sont usinés à l'état doux, cémentés, puis trempés. Résultat : une couche d'environ 58–62 HRC sur un cœur d'environ 30–45 HRC.

• La plus haute résistance à la fatigue de contact et de flexion parmi les options courantes.
• La profondeur de couche est proportionnelle à la taille de la dent : une règle empirique largement utilisée situe la profondeur de couche efficace à environ 0.15–0.30 × module — un engrenage de module 3 n'a besoin que de quelques dixièmes de millimètre, un engrenage de module 10 en a besoin proportionnellement davantage.
• Coût : les cycles de cémentation sont longs, la déformation doit être maîtrisée (souvent par rectification de finition), et les très grands engrenages deviennent difficiles à cémenter uniformément.

Aciers de trempe à cœur

Le 42CrMo4 / 4140 et les aciers alliés à moyen carbone similaires sont trempés et revenus à une dureté uniforme de ~28–36 HRC, puis taillés ou usinés en finition. La dureté de surface — et donc la résistance aux piqûres — est plus faible, mais :

• Aucune limite de profondeur de couche ; adaptés aux engrenages de grand module et de grand diamètre (éolien, broyeurs, auxiliaires marins).
• Les dents peuvent être trempées par induction ensuite (environ 50–55 HRC sur le flanc) pour retrouver une durabilité de surface tout en conservant un cœur revenu.
• Les aciers de nitruration constituent une troisième voie pour les charges modérées : des couches très dures et minces avec une déformation presque nulle, à profondeur de couche limitée.

Logique de sélection

Situation	Choix typique
Module petit/moyen, forte densité de couple, service automobile et boîtes de vitesses	Cémentation : 8620, 16MnCr5, 20CrMnTi
Grand module, charges de choc, engrenages industriels unitaires	42CrMo4 trempé à cœur, éventuellement trempé par induction
Engrenages de précision où la déformation ne peut pas être corrigée	Acier de nitruration
Faible charge, faible coût, engrenages remplaçables	1045 ou acier moulé, non trempé ou légèrement trempé

La frontière pratique est la taille et la contrainte : dès que les modules augmentent et que les profondeurs de couche dépasseraient un millimètre environ, le coût et la déformation de la cémentation augmentent fortement, et la trempe à cœur avec un traitement de surface l'emporte généralement.

Réalité du traitement thermique et de la finition

La cémentation est un procédé par lots mesuré en heures à jours : les engrenages sont usinés avec une surépaisseur de rectification, cémentés, trempés, puis rectifiés en finition ou taillés en dur pour rétablir la précision des dents — cette étape de finition doit figurer dans le plan de fabrication et le budget de tolérances dès le départ. Les engrenages trempés à cœur sont plus simples : trempe et revenu d'abord, puis taillage des dents dans l'ébauche trempée lorsque la taille le permet, en acceptant la finition de flanc que donne le taillage en dur, ou taillage à l'état doux et trempe par induction avec une précision un peu plus lâche. Pour les deux voies, la bande de trempabilité de l'acier (la bande H dans la norme d'achat) est ce qui garantit la dureté à cœur à la racine de la dent ; spécifier une nuance sans sa bande de trempabilité laisse la propriété la plus importante de l'engrenage au hasard.