Durcissement par induction des arbres : trempe superficielle du 1045 et du 4140

Comment cela fonctionne

Une bobine d'induction parcourue par un courant alternatif à haute fréquence entoure l'arbre. Le courant induit des courants de Foucault dans la surface de l'acier, chauffant une fine peau au-dessus de la température de transformation en quelques secondes ; une trempe immédiate par pulvérisation d'eau ou de polymère convertit cette peau en martensite dure. La masse de l'arbre ne chauffe jamais, de sorte qu'elle conserve ses propriétés d'origine — souvent pré-durcies et revenues.

La fréquence détermine la profondeur de couche

Le courant induit se concentre près de la surface, et la profondeur chauffée diminue à mesure que la fréquence augmente. C'est la relation de conception centrale du procédé :

• Basses fréquences (quelques kHz, machines à moyenne fréquence) : couches profondes, couramment de la classe 2–6 mm, pour les grands arbres et les portées lourdes.
• Hautes fréquences (centaines de kHz) : couches peu profondes, de fractions de millimètre à environ 1.5 mm, pour les petites pièces et les détails fins.

En pratique, la profondeur de couche est spécifiée à une limite de dureté (comme en cémentation, souvent 550 HV) et la machine, la fréquence et le temps de chauffage sont choisis pour l'atteindre avec une zone de transition qui ne perce nulle part dans le motif jusqu'à une surface tendre et non durcie.

Les aciers

Les aciers au carbone moyen sont spécifiés parce que la dureté à l'état brut de trempe provient du carbone :

• 1045 / C45 — le standard économique ; dureté de surface généralement dans le milieu des 50s HRC, cœur laissé à l'état brut de laminage ou normalisé.
• 4140 / 42CrMo4 — utilisé pré-durci et revenu lorsque le cœur doit supporter de vraies charges ; la couche par induction ajoute résistance à l'usure et à la fatigue sur un substrat résistant, et sa teneur en éléments d'alliage élargit la fenêtre de procédé.

Un carbone inférieur à environ 0.35% donne une dureté de surface décevante ; nettement au-dessus de 0.6%, le risque de fissures de trempe augmente.

Motifs et zones tendres

Un inducteur à défilement durcit une bande au fur et à mesure de son déplacement le long de l'arbre, laissant une zone de sortie là où le balayage commence et s'arrête, et les bandes durcies sur les arbres complexes sont séparées par des zones tendres — au niveau des épaulements, des dégagements et entre les éléments adjacents — car la bobine ne peut pas chauffer uniformément un angle interne vif et des balayages qui se chevauchent reviendraient la bande précédente. Une bonne conception traite ces éléments comme des faits, et non comme des défauts :

• Maintenir les surfaces de contact des joints et des roulements à l'intérieur du motif durci, loin des zones de sortie.
• Placer les zones tendres là où la contrainte de flexion et l'usure sont faibles.
• Surveiller les éléments sensibles aux fissures — rainures de clavette, trous transversaux et congés vifs à l'intérieur de la zone chauffée nécessitent des chanfreins et des essais de procédé.

Pourquoi le choisir

Comparé à la cémentation, le durcissement par induction est rapide, local, facilement automatisé en ligne, et s'applique après la majeure partie de l'usinage. Il échange la couche profonde et progressivement graduée de la cémentation contre la vitesse et la sélectivité — sur les arbres, c'est généralement le bon compromis.

La couche durcie porte également une contrainte résiduelle de compression, car la couche de martensite dilatée est contrainte par le cœur inchangé. Cette compression explique en grande partie pourquoi les portées et congés durcis par induction présentent une durée de vie en fatigue en flexion et en torsion nettement meilleure que les équivalents durcis à cœur ou non traités — à condition que le motif durci couvre réellement la concentration de contraintes, ce qui est une décision de conception, et non un accident de procédé.