Aciers de cémentation

02Définition et caractéristiques des aciers de cémentation

Les aciers de cémentation sont des alliages fer-carbone spécialement formulés avec une faible teneur en carbone, généralement pas supérieure à 0,20 %, conçus pour répondre de façon optimale aux processus d’enrichissement superficiel en carbone.

Cette catégorie d’aciers présente la particularité de conserver un cœur tenace après trempe et revenu, tout en développant une couche superficielle extrêmement dure grâce au processus thermochimique de cémentation.

La caractéristique distinctive de ces matériaux réside dans leur capacité à développer un gradient de propriétés mécaniques du cœur vers la surface, garantissant la combinaison optimale d’une dureté superficielle (62-64 HRC) et d’une ténacité à cœur.

Cette configuration est obtenue grâce à la diffusion contrôlée du carbone dans la zone superficielle du composant, qui atteint généralement 0,7-0,9 % tout en maintenant le cœur à faible teneur en carbone.

03Composition chimique optimale

La composition chimique des aciers de cémentation est étudiée pour optimiser la trempabilité et les propriétés mécaniques des aciers de cémentation.

Les éléments d’alliage présents comprennent le manganèse jusqu’à 1,2 %, le nickel jusqu’à 3,5 %, le chrome jusqu’à 1,5 % et le molybdène jusqu’à 0,50 %. Ces éléments contribuent à améliorer la trempabilité du cœur et la stabilité dimensionnelle pendant le traitement thermique.

Le manganèse favorise la trempabilité et la résistance mécanique, tandis que le nickel améliore significativement la ténacité du cœur, particulièrement importante pour les applications exigeant une résistance aux chocs mécaniques.

Le chrome contribue à la formation de carbures stables pendant la cémentation, tandis que le molybdène augmente la résistance et la dureté, rendant l’acier adapté aux applications à haute résistance et à la résistance à l’usure.

04Microstructure et transformations de phase

La microstructure des aciers cémentés présente un gradient caractéristique de la surface au cœur.

La couche cémentée, après trempe et revenu, présente une structure martensitique revenue avec des carbures finement dispersés, tandis que le cœur conserve une structure à plus faible teneur en carbone dotée d’une ténacité supérieure.

La zone de transition présente un changement progressif de composition et de microstructure qui garantit l’absence de discontinuités mécaniques.

05Classification des aciers de cémentation selon les normes internationales

5.1Norme européenne UNI EN ISO 683-3:2022 (anciennement UNI EN 10084)

La classification des aciers de cémentation dans le cadre européen est régie par la norme UNI EN ISO 683-3:2022 (anciennement UNI EN 10084), qui établit les conditions techniques de livraison des aciers de cémentation non alliés et alliés.

Cette norme définit les exigences minimales du procédé de production des aciers, la composition chimique, la dureté, la trempabilité et les caractéristiques technologiques convenues avec le producteur.

La norme prescrit des contrôles spécifiques, dont la vérification de la grosseur du grain, le contrôle visuel et le contrôle dimensionnel.

Pour les aciers commandés sans prescriptions de trempabilité, les prescriptions de dureté indiquées au tableau 1 de la norme UNI EN ISO 683-3:2022 (anciennement UNI EN 10084) doivent être vérifiées, tandis que pour les aciers commandés avec prescriptions de trempabilité (+H), des contrôles de trempabilité supplémentaires sont exigés selon l’essai Jominy.

5.2Normes ASTM et JIS

Les correspondances internationales des aciers de cémentation incluent les normes ASTM A304 pour le marché nord-américain et JIS G 4052 pour le marché japonais.

Le système JIS utilise des désignations telles que SNCM420, qui correspond approximativement à l’AISI/SAE 4320, illustrant l’harmonisation internationale des spécifications de ces matériaux.

Tableau comparatif des désignations

06Traitement thermique de cémentation des aciers

6.1Procédés de cémentation (gazeuse, liquide, solide)

La cémentation gazeuse, liquide et solide comprend trois méthodes distinctes pour l’enrichissement superficiel en carbone.

La cémentation gazeuse, aujourd’hui la plus largement répandue pour la production en grande série, consiste à chauffer les pièces à 850-950 °C dans un gaz endothermique porteur (principalement CO, H₂ et N₂) enrichi d’un hydrocarbure tel que le méthane (CH₄) ; le CO cède du carbone à la surface (2CO → C + CO₂) et le méthane régénère le CO en réagissant avec le CO₂ formé (CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂).

Les températures de cémentation varient de 850 °C à 950 °C en fonction de la composition de l’acier, de la profondeur requise et du type de procédé (gazeux, liquide, solide). La cémentation gazeuse opère généralement à 920-930 °C pour les aciers au carbone-manganèse.

La cémentation liquide consiste à immerger les pièces dans des bains de sels fondus tels que le cyanure de sodium, les carbonates et les chlorures alcalins et de baryum. Le cyanure de sodium réagit avec l’oxygène de l’air et le dioxyde de carbone en libérant de l’oxyde de carbone qui libère des atomes de carbone dans la pièce.

La cémentation solide, moins utilisée dans l’industrie moderne, repose sur l’emploi de mélanges carbonés solides placés dans des caisses ou des conteneurs fermés, avec des températures et des temps de traitement similaires aux autres méthodes, mais avec de plus grandes difficultés de contrôle de l’atmosphère et d’uniformité du traitement.

6.2Paramètres de procédé et de contrôle

La profondeur de cémentation des aciers est contrôlée au moyen de paramètres spécifiques de temps et de température. La profondeur de diffusion du carbone et de la carbocémentation réelle associée (ECD) peut varier de quelques dixièmes de millimètre jusqu’à plusieurs millimètres.

La concentration superficielle en carbone des aciers cémentés atteint typiquement 0,7-0,9 %, dépassant rarement 0,85 % afin d’éviter la formation d’une cémentite massive fragile.

La profondeur de cémentation (CHD) est définie comme la distance verticale entre la surface de l’éprouvette et la couche présentant une dureté limite de 550 HV. Des études récentes ont démontré que des échantillons présentant une profondeur de cémentation d’environ 0,55 mm, 0,9 mm et 1,9 mm ont été obtenus, avec une dureté superficielle comprise entre 640 HV1 et 760 HV1.

6.3Traitements thermiques post-cémentation

Le cycle thermique post-cémentation peut prévoir une trempe directe depuis la température de cémentation ou des cycles à double trempe pour les composants de dimensions moyennes ou grandes.

La trempe directe consiste en une immersion dans l’huile ou un fluide de trempe approprié à partir de la température de cémentation, suivie d’un revenu à 150-200 °C.

Pour les composants critiques exigeant une qualité et une fiabilité élevées, le cycle à double trempe permet d’optimiser séparément les propriétés du cœur et de la surface, en effectuant une première trempe pour le cœur et une seconde trempe à température adaptée pour la surface, tout en effectuant simultanément le revenu du cœur.

07Limites du procédé de cémentation

Le procédé de cémentation des aciers présente des limites qu’il est essentiel de connaître lorsque l’on met en œuvre ce traitement :

• Distorsions inévitables : déformations liées aux transformations de phase
• Décarburation sélective : risque dans les zones non masquées
• Oxydation intergranulaire : contrôle critique de l’atmosphère
• Formation de carbures massifs : pour des concentrations C >0,9 % en surface
• Fragilisation par l’hydrogène : particulièrement critique dans les aciers au Ni
• Temps de traitement longs : 6-24 heures pour atteindre des profondeurs significatives
• Masquage obligatoire : pour les zones à ne pas cémenter

08Propriétés mécaniques et caractéristiques de performance

8.1Dureté superficielle et profondeur de cémentation

Les propriétés mécaniques des aciers de cémentation se caractérisent par une dureté superficielle élevée pouvant atteindre 62-64 HRC, garantissant une excellente résistance à l’usure mécanique. La dureté superficielle varie en fonction de la teneur en carbone diffusé et des conditions de trempe et de revenu ultérieures.

La répartition de la dureté de la surface vers le cœur suit une évolution décroissante qui reflète le gradient de carbone obtenu lors de la cémentation. Cette configuration assure la transition progressive des propriétés superficielles vers celles du cœur, en évitant les concentrations de contraintes critiques.

8.2Résistance à l’usure et à la fatigue de contact

Les aciers cémentés présentent une excellente résistance à l’usure adhésive et abrasive grâce à la structure martensitique revenue de la couche superficielle. La présence de carbures finement dispersés contribue à la résistance à l’usure, tandis que la ténacité du cœur empêche la propagation des fissures superficielles.

La résistance à la fatigue de contact est nettement améliorée par la présence du gradient de dureté, qui répartit les contraintes de contact sur un volume plus important que les traitements de durcissement uniforme.

8.3Ténacité du cœur

La ténacité du cœur des aciers de cémentation à bas carbone est maintenue grâce au contrôle de la composition chimique et des paramètres de traitement thermique. Les aciers à forte teneur en nickel sont privilégiés pour obtenir une ténacité élevée, essentielle pour résister aux sollicitations dynamiques et aux chocs mécaniques.

09Aciers de cémentation les plus utilisés

9.1Aciers non alliés (C10, C15, C20)

Les aciers de cémentation non alliés, désignés selon la teneur en carbone multipliée par 100, constituent la catégorie de base pour les applications aux exigences mécaniques standard. Le C10 (0,10 % C), le C15 (0,15 % C) et le C20 (0,20 % C) sont utilisés pour des composants de géométrie simple avec des profondeurs de cémentation limitées.

9.2Aciers alliés (20MnCr5, 18CrNiMo7-6, 20NiCrMo2-2)

Le 20MnCr5 représente l’acier de cémentation manganèse-chrome le plus utilisé, disponible à l’état recuit usinable pour les barres laminées à chaud, forgées et étirées à froid, avec des diamètres de 16 à 500 mm. Cette nuance offre un bon compromis entre trempabilité et coût pour les applications à sollicitation moyenne.

Le 18CrNiMo7-6 est un acier allié à haute trempabilité utilisé pour les composants fortement sollicités, disponible à l’état recuit usinable pour les barres laminées à chaud et forgées, avec des diamètres jusqu’à 490 mm. La présence de nickel, de chrome et de molybdène garantit des propriétés mécaniques élevées après cémentation et trempe.

Le 20NiCrMo2-2, bien qu’il ne soit pas spécifiquement cité dans les sources consultées, représente typiquement un acier de cémentation à teneur en nickel destiné aux applications exigeant une ténacité élevée du cœur associée à une bonne trempabilité.

9.3Aciers spéciaux pour applications critiques

Les aciers de la série 17NiCrMoS6-4 présentent une teneur en soufre destinée à améliorer l’usinabilité, disponibles également avec ajout de plomb (17NiCrMoS6-4+Pb) pour maximiser la vitesse d’usinage. Ces nuances sont utilisées pour les composants de précision produits en grande série.

Le 16NiCrMo12 représente un acier de cémentation à haute teneur en éléments d’alliage destiné aux applications critiques exigeant une trempabilité et une résistance élevées.

10Applications industrielles des aciers cémentés

10.1Industrie automobile

Les applications industrielles des aciers cémentés dans l’industrie automobile incluent les engrenages, les arbres de transmission, les cames et les pignons. Ces composants sont soumis à des sollicitations de contact élevées et exigent l’association d’une dureté superficielle élevée et d’une bonne ténacité du cœur afin de garantir la fiabilité et la durabilité dans le temps.

Les aciers cémentés sont utilisés pour la fabrication de composants critiques du groupe motopropulseur, où la résistance à l’usure et à la fatigue est essentielle aux performances et à la fiabilité du véhicule.

10.2Engrenages et transmissions

Les engrenages constituent la principale application des aciers de cémentation, exigeant une dureté superficielle élevée pour résister à l’usure des dents et une ténacité à cœur pour supporter les charges transmises. La cémentation permet d’obtenir des profils de dureté optimaux afin de maximiser la durée de vie en fatigue des engrenages.

10.3Roulements et composants de précision

Dans l’industrie aérospatiale, l’acier cémenté est utilisé pour la réalisation de composants de moteurs, tels que des engrenages de réduction, des arbres de transmission et des roulements. Les conditions d’exploitation sévères exigent des matériaux capables de résister à l’usure, à la fatigue et à la corrosion.

Dans le secteur des machines-outils, l’acier cémenté trouve son application dans la production de guides linéaires, de broches, de moules et de matrices, où la combinaison de dureté superficielle et de précision dimensionnelle est déterminante.

11Contrôle qualité et analyse des défauts

11.1Essais et contrôles standard

Le contrôle qualité des aciers cémentés comprend la vérification de la profondeur de cémentation selon ISO 18203:2016 (anciennement ISO 2639), des contrôles de dureté superficielle et à cœur, ainsi que des vérifications microstructurales. La profondeur de cémentation CHD, selon ISO 18203:2016, est définie comme la distance entre la surface et le point où la dureté mesurée avec un pénétrateur Vickers et une charge de 0,3 kgf atteint 550 HV0,3.

Les contrôles comprennent des essais de fatigue pour vérifier la résistance du composant fini, des contrôles dimensionnels pour vérifier les déformations induites par le traitement thermique, et des contrôles métallographiques pour vérifier la microstructure et l’absence de défauts.

11.2Défauts typiques et prévention

Les défauts typiques des aciers cémentés comprennent la décarburation superficielle, l’oxydation interne, les criques de trempe et les déformations excessives. Leur prévention exige un contrôle rigoureux de l’atmosphère de cémentation, des paramètres de trempe et de la géométrie des composants.

12Questions fréquentes sur les aciers de cémentation

Quelle est la principale différence entre les aciers de cémentation et les aciers pour trempe et revenu ?
Les aciers de cémentation se distinguent des aciers pour trempe et revenu par leur teneur en carbone et par l’approche du traitement thermique. Les aciers de cémentation présentent une faible teneur en carbone (≤0,20 %) et subissent un enrichissement superficiel suivi d’une trempe, tandis que les aciers pour trempe et revenu ont une teneur en carbone plus élevée (0,25-0,60 %) et sont traités uniformément sur toute la section.

Quel procédé de cémentation est le plus utilisé dans l’industrie moderne ?
La cémentation gazeuse est aujourd’hui la plus largement répandue et se prête tout particulièrement à la production en grande série. Elle présente l’avantage de supprimer le cément solide ainsi que la possibilité de procéder à une trempe directe à la fin de l’opération, sans réchauffage supplémentaire.

Comment détermine-t-on la profondeur de cémentation optimale ?
La profondeur de cémentation est déterminée par les sollicitations de service et par les dimensions du composant. Elle peut varier de quelques dixièmes de millimètre jusqu’à plusieurs millimètres, et se mesure en tant que CHD (profondeur à une dureté de 550 HV) selon ISO 18203:2016 (anciennement ISO 2639).

Quels sont les avantages des aciers alliés par rapport aux aciers non alliés pour la cémentation ?
Les aciers alliés offrent une meilleure trempabilité, permettant d’obtenir des propriétés uniformes même dans des sections de grandes dimensions. Les éléments d’alliage tels que le nickel, le chrome et le molybdène améliorent respectivement la ténacité, la trempabilité et la résistance.

Pourquoi la teneur en carbone des aciers de cémentation est-elle aussi faible ?
La faible teneur en carbone (≤0,20 %) est nécessaire pour obtenir une bonne cémentation et pour ne pas augmenter excessivement la dureté du cœur, en conservant la ténacité requise pour supporter les sollicitations de service tandis que la surface acquiert la dureté élevée exigée.