Matériaux & Procédés

La cémentation gazeuse sous atmosphère contrôlée est le procédé le plus répandu parmi les traitements de durcissement superficiel par diffusion. Depuis quelques années, un procédé analogue est parallèlement développé dans des fours sous vide avec certains avantages comme une forte compatibilité avec l’environnement et une absence d’oxydation superficielle inter cristalline. L’application des procédés sous basse pression ou assistés plasma est freinée par les coûts, aussi bien  d’investissement que de production, plus élevés par rapport aux fours sous atmosphère contrôlée et par la faible uniformité de pénétration de la carburation. On devra donc utiliser encore pour plusieurs années la vieille technologie. Notre travail a consisté non pas à résoudre le problème de l’oxydation inter cristalline [1], mais à en étudier la nature et en donner des explications.

Les essais très variés pratiqués au laboratoire de métallurgie amènent à exprimer des résultats et à les interpréter d’un point de vue statistique. De nombreuses notions en statistiques s’avèrent alors nécessaires : exprimer correctement un résultat, comparer des valeurs, comparer deux groupes de valeurs, savoir faire une régression simple…Ce sont ces notions que doivent acquérir les élèves souhaitant travailler en laboratoire.

Un nouvel alliage d’aluminium, dont les caractéristiques mécaniques à chaud élevées permettront la conception d’une roue freinée acceptant un environnement thermique plus sévère, a été développé par Messier-Bugatti avec la collaboration d’Otto Fuchs. Afin de faire décroître de façon significative le coût à l’atterrissage des freins carbone, tout en étant capable de répondre aux exigences de plus en plus sévères des avionneurs en termes de sécurité, il est nécessaire de disposer de plus de latitude dans le dimensionnement du frein. Ceci implique de disposer d’un matériau de roue capable d’accepter des températures plus élevées. C’est ainsi que le nouvel alliage d’aluminium 2016 a vu le jour. Élaboré par Otto Fuchs, il a été caractérisé, validé et qualifié par Messier-Bugatti sur une application réelle : une roue d’Airbus A300-600. 

La fonctionnalisation des surfaces à l’échelle nanométrique s’est développée avec grand succès au cours des dernières années. Son principal domaine d’application avaient été les améliorations des produits existants par une maîtrise des propriétés physico-chimiques et/ou des propriétés mécaniques des sections critiques d’un composant pour qu’il remplisse sa fonction d’une façon durable et fiable même dans des environnements sévères. La fonctionnalisation des surfaces comprend la méthode de fabrication, la finition, les traitements de surfaces, les modifications des surfaces et la caractérisation à l’échelle nanométrique. Le remplacement de la tribologie traditionnelle par une caractérisation nanométrique des surfaces rendra le comportement des surfaces en mouvement plus prédictibles et peut ainsi révolutionner l’industrie mécanique. La caractérisation à l’échelle nanométrique conduira à la spécification et finalement à la normalisation à l’échelle nanométrique. Ceci permettra aux intégrateurs de systèmes et aux sous-traitants de diminuer leurs coûts d’homologation. Plusieurs exemples d’applications dans le domaine des revêtements et des mesures mécaniques seront présentés.

Les méthodes de prétraitement thermochimique et de dépôt par phase vapeur ont fait une forte percée dans la technologie de production moderne. Alors que les méthodes de prétraitement thermochimique étaient conçues pour la production à grande échelle, c’est-à-dire l’industrie automobile, le PVD a été confiné pendant plusieurs décennies dans les applications de pointe comme l’industrie des semi-conducteurs et les revêtements optiques. Grâce au développement rapide de la technologie du vide et à une meilleure compréhension de la technologie des procédés assistés plasma, le PVD a trouvé de nouvelles applications dans l’ingénierie mécanique, particulièrement depuis l’apparition de revêtements durs à faible friction. 

L'usinage de pièces cémentées puis trempées est un processus d'autant plus long et coûteux que les déformations des pièces à la trempe sont importantes. Il présente également un risque de rebut si les déformations sont excessives relativement à l'épaisseur de la couche cémentée. L'utilisation de procédés de trempe au gaz dont l'efficacité pour réduire les déformations de trempe est maintenant prouvée, se développe car ils permettent de réduire les coûts et d'améliorer la productivité de l'usinage après traitement. Cependant l'utilisation de ces nouveaux modes de trempe doit se faire tout en conservant des caractéristiques mécaniques optimales des aciers utilisés. Dans ce but, un choix particulier de nuances adaptées à ces procédés est indispensable. Cet article présente diverses solutions métallurgiques à ce problème, associées à des caractéristiques d'emploi. Par ailleurs, certains aspects des gammes de traitement (trempe directe, etc.) associées à des propriétés spécifiques de certaines nuances et contribuant à la réduction des déformations sont également abordés.

La trempe gazeuse permet d’optimiser les cycles de refroidissement des pièces traitées et offre une meilleure reproductibilité des traitements thermiques par rapport à des trempes en fluides vaporisables. Par contre, le refroidissement, que ce soit en termes de vitesse ou d’homogénéité, doit être amélioré ; des calculs numériques le permettent. Des campagnes expérimentales ont été menées et les résultats confrontés à ceux de simulations numériques. Tour d’horizon de la démarche expérimentale et exemples d’application de calculs numériques.

Parmi les plus anciennes commissions en action au sein de l’A3TS, la Commission Fluides de trempe est un outil précieux pour les professionnels qui leur permet d’être informé des dernières évolutions techniques et réglementaires. Différents travaux sont en cours et devraient aboutir prochainement. Par ailleurs, la commission compte s’ouvrir aux fournisseurs de gaz pour la trempe gaz et ainsi la commission fluides de trempe couvrira tous les domaines : huiles, polymères, sels et gaz.

L’économie de l’ingénierie des matériaux revêt quatre dimensions fondamentales : coïncider avec la perspective des clients, construire une solution matériau qui apporte un "plus" de valeur, s’intéresser à la ”variabilité” engendrée dans cette construction car cette variabilité est destructrice de valeur, et enfin, développer la technologie en priorité là où la valeur apportée et le prix acceptable (par le client) permettent de retirer un bénéfice équitable (pour le client et pour nous). Un cas illustre parfaitement l’impact d’une ingénierie matériau fortement créatrice de valeur : celui des producteurs de métaux durs et d’aciers rapides sur le marché des outils de coupe. Ce cas démontre parfaitement comment sur la durée l’approche création de Valeur permet – à la différence de la logique encore trop fréquente "fourniture / tonnage / prix" – de parvenir à une croissance rentable et durable. Dans nos métiers, la stagnation des marchés en Europe et l’intensification de la concurrence créent un véritable défi. Mieux organiser l’ingénierie matériau pour la rendre continûment créatrice de valeur est une des réponses à ce défi. D’une part, pour apporter à nos clients les solutions et les "plus" qu’ils ressentent. D’autre part, pour chercher à éliminer, chez eux comme chez nous, la "variabilité" source de gaspillages, de surcoûts et d’un manque de compétitivité. Quelques exemples illustreront comment ce type d’approche a été mis en pratique dans nos métiers.

Les fours sous vide de trempe gaz sont reconnus pour la qualité, la fiabilité et la reproductibilité du traitement qu'ils procurent. Plus précisément, ils peuvent s'adapter aux besoins spécifiques de chaque type d'application en utilisant différents modes de refroidissement. Les méthodes actuelles d'usinage de l'acier permettent la réalisation de pièces de grandes dimensions, très ouvragées, présentant de fortes hétérogénéités de section et des tolérances d'exécutions très serrées. Les caractéristiques mécaniques sont également définies en fonction du type d'effort qu'elles vont très précisément supporter en exploitation. Il est donc nécessaire d'adapter le traitement thermique de chaque pièce en fonction du matériau, de la géométrie et des caractéristiques à obtenir. Le traitement sous vide assure la flexibilité d'adaptation du cycle de traitement, en contrôlant avec précision les nombreux paramètres entrant en jeu lors du refroidissement.