Défauts possibles lors d’un durcissement par trempe après chauffage par induction

Les facteurs d’influence possibles sur l’apparition de défauts lors d’un durcissement par trempe après chauffage par induction des aciers et des fontes sont multiples. Ils seront abordés ici en suivant deux axes de réflexion : l’approche produit (matière, forme, exigences de traitement…), l’approche procédé (conditions de chauffe et de refroidissement, conception de l’inducteur…).

Approche produit
Le matériau traité
Le matériau intervient dans l’apparition éventuelle de défauts par ses propriétés métallurgiques :
• D’élaboration : résistance au grossissement du grain par le calmage, propreté inclusionnaire, graphitisation des fontes, maîtrise des additions (cas du bore de trempabilité).
• De structure initiale : homogénéité, ségrégations, structure en bande, constituants globulisés difficile à solubiliser.
• Son état de contraintes résiduelles.
• Ses défauts de surface : décarburation, replis.
• Ses défauts internes : alignement d’inclusions, porosités des produits moulés.
• Sa composition chimique en éléments d’alliage et en éléments résiduels. L’excès de trempabilité est aussi préjudiciable qu’un défaut de trempabilité.

Tableau 1. Type de défauts pouvant être imputés à la qualité du matériau. 

Tableau 2. Défauts produit rencontrés avec les fontes.

La géométrie du produit traité

Tableau 3. Type de défauts pouvant être imputés à la qualité géométrique du produit traité.

Définition du profil de trempe

Tableau 4. Définition du profil de trempe

Approche procédé
Géométrie et positionnement du couple produit traité et ensemble inducteur – douche
Le couplage inducteur pièce (entrefer ou espace) entre la surface de la pièce et la surface de l’inducteur en regard est un facteur très important de constance des résultats. Il détermine le rendement de chauffage et a ainsi une influence directe sur l’épaisseur chauffée. La douche doit aussi avoir une position fixe par rapport à la pièce et l’inducteur. Par conséquent, tout facteur ayant pour effet de faire varier le couplage pièce inducteur et position de la douche devra être surveillés. Il faut faire en sorte que la pièce soit toujours placée de la même manière sans possibilité de modifier sa position au cours du cycle de traitement, que les dispositifs de positionnement de l’inducteur et de la douche soit également fiables et que toute déformation de cet ensemble ne soit pas possible. Les déformations sont aussi en relation avec la qualité mécanique du dispositif de maintien de la pièce durant l’opération de trempe. Les centrages ne doivent pas exercer d’effort important, ils doivent assurer une rotation parfaite. Les pièces longues seront éventuellement maintenues par des lunettes à suivre. Il faut également tenir compte des dilatations thermiques durant le chauffage pour que la pièce ne soit jamais mise en compression-flambage.

Les conditions de chauffage
Elles sont déterminantes sur les résultats comme dans tout traitement thermique.
Différentes circonstances sont possibles :
• Insuffisance d’austénitisation, la transformation martensitique sera incomplète et la dureté insuffisante.
• Austénitisation hétérogène, le niveau de dureté finale sera hétérogène.
• Excès de température : il y aura grossissement du grain, surchauffe, brûlure, fusion selon le niveau de température atteint, le facteur temps intervient dans une moindre mesure. Toutefois pour les périodes de chauffage statique, au démarrage d’un défilé par exemple il peut y avoir facilement un effet de surchauffe et de profondeur avec risques de tapure dans la zone chauffée mais également dans la zone voisine non chauffée mais mise en extension par la zone trempée. Les matériaux peu ductiles comme les fontes grises ou les aciers moulés sont particulièrement sensibles à ce phénomène.  
La conception de l’inducteur et les puissances appliquées sont des facteurs primordiaux.

Les conditions de refroidissement
Le refroidissement suivant le chauffage doit naturellement faire l’objet d’attentions importantes d’autant plus que les aciers employés sont généralement des nuances non ou peu alliés. Il faut tout d’abord bien dimensionner le circuit de refroidissement qui doit être capable d’évacuer les calories produites. Le choix des paramètres débit et pression à l’arrosage sont essentiels. La qualité du fluide doit également faire l’objet d’un suivi constant : concentration de l’additif, température, propreté ou pollution, vieillissement (développement bactérien par manque d’aération).

Conception de l’inducteur
La conception de l’inducteur est sans doute le point le plus délicat, avec la conception des systèmes de refroidissement. Les moyens de modélisation disponibles permettent de mieux appréhender cette conception. Une fois cette conception optimisée les risques se situent en terme d’usure due à l’encrassement interne (tartre, circuit d’eau pollué) et externe notamment au niveau des éventuels concentrateurs de champ par les projections de liquide de refroidissement et des graisses présentes sur les pièces dans le cas où les pièces traitées ne sont pas lavées avant le chauffage par induction. Les sollicitations thermomécaniques conduiront dans le temps à des déformations qu’il faudra identifier à l’aide de mesures métrologiques et utilisation de gabarits de contrôle. Le remplacement d’un inducteur doit garantir les mêmes rendements, ou faire l’objet d’une vérification des résultats et ajustement éventuel des réglages.