Austénite résiduelle et traitement cryogénique : quand le sous-zéro est rentable

Ce qu'est l'austénite résiduelle

La trempe transforme l'austénite en martensite entre les températures de début de martensite (Ms) et de fin de martensite (Mf). Dans les aciers simples à bas carbone, Mf se situe au-dessus de la température ambiante et la transformation s'achève. Dans les aciers à haute teneur en carbone et fortement alliés — aciers à outils, nuances de cémentation, aciers pour roulements — la teneur en carbone et en alliage abaisse Ms et Mf, et une fraction de l'austénite ne se transforme tout simplement jamais : l'austénite résiduelle, une phase molle mélangée à la structure durcie.

Les quantités varient largement selon la nuance et la pratique d'austénitisation ; des valeurs de quelques pour cent jusqu'à environ 20–30% sont rapportées dans les aciers à outils fortement alliés trempés depuis le haut de leur plage de températures.

Pourquoi c'est important

• Dureté et usure : l'austénite résiduelle est plus molle que la martensite, donc des quantités excessives coûtent de la dureté et des performances en fatigue de contact (les aciers pour roulements sont spécifiés strictement pour cette raison).
• Stabilité dimensionnelle : l'austénite résiduelle est métastable. Elle peut se transformer ultérieurement — sous contrainte, chaleur de rectification ou changement de température — et la transformation dilate la pièce. Les calibres, matrices de précision et composants de roulements qui dérivent hors tolérance en service en sont le symptôme classique.
• Ce n'est pas entièrement négatif : une petite quantité contrôlée peut bénéficier à la ténacité et au comportement en contact roulant, et le revenu seul en transforme une grande partie (voir ci-dessous).

Les remèdes, dans l'ordre

1. Revenu. Un revenu correctement choisi (et pour les aciers à outils un second revenu) décompose l'austénite résiduelle et effectue le revenu de la martensite fraîche qui en résulte. Pour de nombreux outils, cela est suffisant et aucun traitement par le froid n'est nécessaire.
2. Traitement sous zéro — refroidissement de la pièce fraîchement trempée à environ −70 à −85 °C (plage de la glace carbonique ou de la réfrigération mécanique) et maintien bref, poussant la transformation plus près de Mf. Largement utilisé pour les composants de roulements et cémentés.
3. Traitement cryogénique profond — refroidissement aux températures de l'azote liquide, environ −196 °C, avec un refroidissement et un réchauffage lents et contrôlés, généralement maintenu pendant de nombreuses heures et toujours suivi d'un revenu. Au-delà de l'achèvement de la transformation de l'austénite, le cryo profond est réputé favoriser une précipitation très fine de carbures dans les aciers à outils ; le bénéfice en stabilité dimensionnelle est bien établi, tandis que l'ampleur du bénéfice en durée de vie à l'usure varie selon la nuance et l'étude.

Règles de séquence qui décident du succès

• Traiter rapidement après la trempe — les pièces différées peuvent stabiliser l'austénite, et les pièces sous contrainte peuvent se fissurer si elles sont laissées brutes de trempe.
• Refroidir et réchauffer progressivement ; les sections minces et les matrices complexes sont sensibles aux chocs thermiques dans les deux sens.
• Toujours effectuer un revenu ensuite. La martensite fraîche formée dans le froid est non revenue et fragile ; un cycle cryogénique qui se termine à température ambiante sans revenu a rendu la pièce pire.

Quand c'est rentable

Le traitement sous zéro ou cryogénique justifie son coût sur : les calibres et étalons de précision, les outils de coupe et de formage haut de gamme, les composants de roulements avec des limites strictes d'austénite résiduelle, et les matrices dont les tolérances ne peuvent absorber une croissance en service. Pour les pièces générales de machines en aciers à moyen carbone — qui retiennent peu d'austénite au départ — il ajoute un coût sans mécanisme pour le rembourser.