Aciers pour traitements thermiques

Mise en œuvre
par Guy MURRY
Ingénieur de l’École nationale supérieure d’électrochimie
et d’électrométallurgie de Grenoble, Docteur-ingénieur
Ingénieur-conseil métallurgie et aciers
Ancien Directeur de l’Office technique pour l’utilisation de l’acier (OTUA)

1. Formage ................................................................................................. M 4 532 - 2

1.1 Formage à chaud .................................................................................... — 2
1.2 Formage à froid ...................................................................................... — 3
1.3 Formage à tiède ou à mi-chaud............................................................. — 4
2. Usinage .................................................................................................. — 5
2.1 Usinage par enlèvement de copeaux ................................................... — 5
2.2 Usinages par électroérosion et par voie électrochimique................... — 7
3. Soudage ................................................................................................. — 8
3.1 Soudage avec métal fondu subsistant.................................................. — 8
3.2 Soudage sans métal fondu subsistant.................................................. — 9
4. Traitements thermiques .................................................................... — 9
4.1 Traitements d’adoucissement ............................................................... — 9
4.2 Traitements conférant des propriétés d’emploi dans la masse.......... — 10
4.3 Traitements conférant des propriétés d’emploi au voisinage
de la surface ............................................................................................ — 12
Pour en savoir plus ...................................................................................... Doc. M 4 533

a mise en œuvre des aciers pour traitements thermiques pourra comporter,

L outre les traitements thermiques :
— du formage ;
— de l’usinage ;
— du soudage.
Nous examinerons donc dans cet article comment peuvent être obtenues et
appréciées les performances qui permettront de réaliser ces opérations dans
les meilleures conditions, étant donné que les modalités de la réalisation de
ces dernières sont décrites dans les articles spécialisés de ce traité.

L’étude complète du sujet comprend les articles :

— M 4 530 - Aciers pour traitements thermiques. Propriétés et guide de choix ;
— M 4 531 - Aciers pour traitements thermiques. Normalisation ;
— M 4 532 - Aciers pour traitements thermiques. Mise en œuvre (le présent article) ;
— Doc. M 4 533 - Aciers pour traitements thermiques.

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1. Formage Formage

à froid à tiède à chaud

Ductilité
Le formage est réalisé, sans enlèvement de métal, par défor-
mation plastique de l’acier. I II III IV

Une telle opération est réalisable dans la mesure où le métal est

suffisamment déformable. La courbe reproduite à la figure 1 per- Fragilité Fragilité
met de définir les trois domaines de température où cette au froid au bleu
condition pourra être considérée comme remplie :
— à chaud : à température supérieure à Ac3 , l’acier étant donc à
l’état austénitique ;
– 200 0 200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600
— à froid, c’est-à-dire à la température ambiante ou légèrement Température (°C)
au-dessus ;
I et III phase α cubique centrée
— mais aussi à tiède ou à mi-chaud : entre 550 oC environ et Ac1 .
II phase γ cubique à faces centrées
IV phase liquide
La courbe de ductilité est tracée en unité arbitraire
1.1 Formage à chaud
Figure 1 – Déformabilité de l’acier en fonction de la température
À chaud, c’est-à-dire à l’état austénitique, on pratique : (d’après Oleg D. Sherly)
— le forgeage libre qui permet de déformer l’acier à l’aide d’outils
simples agissant par pression ou percussion et qui conduit géné-
ralement à la réalisation d’une ébauche ;
— l’estampage (dit parfois matriçage) pendant lequel le métal est 1.1.1.3 Déformation à haute température pendant le forgeage
forcé (par choc ou par pression) entre des outils (matrices)
comportant la gravure en creux de la pièce à réaliser. Cette déformation plastique a plusieurs conséquences :
Les conditions dans lesquelles ces procédés sont mis en œuvre — allongement des dendrites (surtout les dendrites équiaxes)
sont décrites dans les articles Forgeage à froid de l’acier et [M 3 200] dans le sens de la déformation ; elles prennent la forme de fibres
Mise en forme de l’acier par estampage. Nous nous intéresserons ou de fuseaux à la périphérie desquels se répartissent les ségré-
ici aux aspects qui mettent en cause le comportement de l’acier et gations et les impuretés. Ce processus donne naissance au fibrage
qui leur sont généralement communs. visible sur une coupe pratiquée selon le sens long (sens préférentiel
de déformation) et qui suit les variations de section imposées par
les changements de forme ;
1.1.1 Facteurs importants au plan métallurgique — possibilité de restauration, voire de recristallisation (si la défor-
mation est suffisante) et donc d’affinement du grain γ ;
— allongement des inclusions plastiques (sulfure de manganèse
1.1.1.1 Structure initiale et silicates basiques surtout) qui vont prendre la forme de fils ou
Si l’acier, avant forgeage, est resté brut de solidification, il de feuilles susceptibles d’altérer la cohésion du métal lorsque
conserve sa structure dendritique (basaltique au voisinage de la celui-ci sera sollicité perpendiculairement à la ou aux grandes
peau, équiaxe dans la masse) avec les défauts inhérents à cette dimensions de ces inclusions déformées ; ainsi apparaît l’effet tra-
dernière, à savoir (cf. article [M 610] Action du corroyage sur la vers (altération de la plasticité dans le sens perpendiculaire à celui
structure de coulée des aciers ) : de la déformation principale) ;
— des grains grossiers qui ont la taille des dendrites ; — cavitation par décohésion aux extrémités des inclusions peu
— des ségrégations mineures qui affectent le volume de chaque déformables ;
dendrite ; — fermeture des porosités non débouchantes et resoudage
— des rassemblements d’impuretés aux joints interdendritiques engendrant donc une amélioration de la cohésion du produit ;
avec notamment présence de sulfures ; — ouverture (généralement) des cavités et fissures débouchantes
— des porosités qui sont en fait des microretassures interdendri- avec risque de propagation voire de rupture.
tiques généralement closes et donc non oxydées ;
— parfois des fissures voisines de la peau, qui débouchent à 1.1.1.4 Refroidissement après forgeage
l’atmosphère et dont les faces sont donc oxydées.
Tous ces défauts peuvent être atténués par un corroyage L’état structural après retour à la température ambiante dépend
préalable : le forgeron peut donc trouver avantage à mettre en des conditions de refroidissement. Mais la taille des grains γ
œuvre des demi-produits. intervient sur la trempabilité et les segrégations qui subsistent
engendrent des variations locales de cette dernière, variations qui
peuvent être importantes et conduire, selon les conditions de
1.1.1.2 Chauffage à haute température avant forgeage
refroidissement, à des structures différentes. Après un refroidisse-
Ce chauffage va encore engendrer un grossissement du grain γ. ment relativement lent, les zones appauvries seront plus riches en
La température ne doit pas être trop élevée au point de provoquer ferrite, les zones enrichies plus riches en perlite par exemple. La
un début de fusion des zones interdendritiques et de la périphérie déformation aidant, ces zones à structures différentes s’allongent
des dendrites. Le métal perd alors sa cohésion et devient impossi- dans le sens de la déformation et génèrent ainsi la structure en
ble à déformer ; il est dit brûlé. L’oxydation superficielle, qui peut bandes qui apparaît lorsque les conditions de refroidissement ren-
se produire en présence d’oxygène, engendre la formation d’une dent sensibles des différences de trempabilité et n’apparaissent
couche de calamine qui sera détachée au début du forgeage ; cet plus quand il en est autrement (structure totalement martensitique
enlèvement de métal peut permettre l’élimination des défauts par exemple dans laquelle ne seront sensibles que les écarts de
superficiels. dureté dus à la ségrégation du carbone).

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(0)

Tableau 1 – Influence des conditions de forgeage sur la grosseur des grains d’austénite
Température Nombre Indice Diamètre moyen Dureté HB Dureté HB
Acier avant forgeage des AFNOR de taille des grains  sur pièces à l’état normalisé
(oC) opérations des grains  (µm) en essais sur barres

1 250 5 1à4 250 à 88 198 à 199

1 200 5 2à5 177 à 62 190 à 203 170
C42 à
1 150 7 3à6 125 à 44 202 à 212 210
1 100 7 6à7 44 à 31 190 à 207
1 220 8 1à3 250 à 125 207 à 212
1 220 8 (*) 6à8 44 à 22 180 à 226
170
C42 1 100 8 3à4 125 à 88 222 à 226 à
210
1 000 8 4à5 88 à 62 219 à 224
800 8 >8 < 22 180 à 226
1 250 7 3à5 125 à 62 225
42Cr1 175 à 215
900 7 >8 < 22 205
(*) Avec arrêts intermédiaires pour abaisser la température.

1.1.2 Conséquences concernant l’acier ment du grain γ au cours d’un séjour à haute température), au
refroidissement convenable (cf. article Traitements thermiques
■ Il est intéressant de forger un acier qui soit le plus homogène associés au forgeage des aciers de construction dans le présent
possible avec peu d’inclusions (et des inclusions peu plastiques). traité). Ces opérations sont déterminantes pour l’obtention des
Une meilleure homogénéité initiale peut être obtenue en forgeant caractéristiques d’emploi des aciers de type ferrite-perlite aptes au
un acier préalablement corroyé. durcissement par précipitation à partir des températures de for-
mage à chaud tels qu’ils sont décrits par la norme NF EN 10267. Le
■ La profondeur des défauts de surface doit être limitée afin de refroidissement rapide initial doit alors être interrompu de telle
permettre leur élimination lors du chauffage et de la formation de sorte que l’austénite se transforme en ferrite (avec précipitation
la couche de calamine. interphase de carbures) et perlite en conditions quasi-isothermes
■ La déformation doit être suffisante pour refermer les porosités, dans un intervalle de température compris approximativement
affiner le grain et faciliter l’homogénéisation en diminuant les dis- entre 600 et 550 oC.
tances sur lesquelles doit se faire la diffusion (allongement et donc
■ Il faut noter aussi que le fibrage est une traduction des ségréga-
amincissement des dendrites). Pour apprécier son importance, on
tions. De par son orientation, il participe à la détérioration des pro-
utilise le taux de corroyage, rapport de la section initiale S0 à la
priétés dans le sens travers du métal et, de ce fait, ne peut être
section finale S :
considéré comme une qualité que lorsque la pièce n’est pas solli-
taux de corroyage = S0 /S
citée selon cette direction.
L’expérience a montré qu’un taux de 4 à 10 était nécessaire pour
■ Enfin, le fait de porter le métal à haute température expose ce
du métal brut de solidification en lingotière ; ce taux n’est par
dernier à des risques d’altérations de surface par réaction avec l’air
contre que de 3 à 7 pour du métal issu de coulée continue (cf. arti-
ambiant et apparition d’une décarburation.
cle « Action de corroyage sur la structure de coulée des aciers »
dans le présent traité). Il faut noter qu’un corroyage élevé peut, en
augmentant la déformation des inclusions, accroître le phénomène
du travers et donc rendre le métal anisotrope. Par ailleurs, en for- 1.2 Formage à froid
geage, il faut tenir compte des irrégularités locales du taux de cor-
royage dues aux variations de forme de la pièce forgée ; cela peut Toujours obtenu par écoulement plastique du métal, le formage
conduire à réaliser (au cours de la même chaude), dans les zones à froid est dit :
peu déformées, un préforgeage qui assure le corroyage nécessaire.
— forgeage à froid ou extrusion lorsque, partant d’un lopin
■ Il peut être utile, pour affiner la taille des grains austénitiques du d’acier, on force ce dernier à occuper le volume libre à l’intérieur
métal (et donc aussi la taille des grains après transformation), de d’un outillage qui doit présenter au moins deux plans de symétrie
provoquer une recristallisation efficace et, pour ce faire, de forger parallèles à l’axe d’application de l’effort ;
et surtout de finir le forgeage à relativement basse température. Le — frappe à froid lorsque, partant d’un morceau de fil machine
tableau 1 donne quelques exemples de résultats que l’on peut [produit laminé et enroulé à chaud en couronnes à spires non
ainsi obtenir. rangées et dont la section peut être circulaire, ovale, carrée, rectan-
■ Il est possible, à la fin de l’opération de forgeage, de réaliser un gulaire, hexagonale, cotogonale, demi-ronde... sa surface étant lisse
refroidissement judicieusement choisi pour obtenir une structure (NF EN 10079) et sa dimension nominale pas inférieure à 5 mm], on
visée (traitement thermique dit dans la chaude de forge) et éviter le déforme en l’air ou en matrice fermée en une ou plusieurs opé-
ainsi d’avoir recours à un traitement thermique ultérieur. Pour ce rations pour lui conférer la géométrie visée (cf. article Frappe à froid
faire, il est souhaitable de choisir des conditions de forgeage qui de l’acier ).
permettront d’obtenir un grain γ correctement affiné et de procéder Ces procédés de formage exigent du métal le respect de certai-
ensuite, dès la fin du forgeage (pour éviter un nouveau grossisse- nes exigences (quantifiées par la norme NF EN 10263).

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1.2.1 Malléabilité des aciers 1.2.4 Traitement superficiel

L’acier doit, tout d’abord, être très malléable. En général, les spé- L’acier doit souvent être traité superficiellement pour améliorer
cialistes considèrent que cette qualité est obtenue si la limite son comportement au frottement dans les outillages sous les
d’élasticité est minimale et la ductilité grande ; ils demandent, pour hautes pressions qui apparaissent. En général, il est phosphaté, la
ce faire, que l’acier ait une structure constituée par de la ferrite en couche de phosphate (de Zn ou de Mn) est déjà lubrifiante par
proportion maximale et des carbures les plus coalescés possible. elle-même, elle a aussi l’avantage de retenir les produits lubrifiants
L’intérêt porté à ce type de structure est en désaccord avec le choix apportés pendant le formage.
des tréfileurs qui, visant eux aussi la ductilité maximale (pour pou-
voir conduire le tréfilage jusqu’aux plus faibles diamètres), préfè-
rent un état ferrito-perlitique fin, c’est-à-dire des structures formées 1.2.5 Traitement de régénération
aux plus basses températures du domaine supérieur de transfor-
mation pour lesquelles la proportion de ferrite est plus faible qu’à Si l’acier s’est trop écroui pendant le formage ou s’il doit être
l’équilibre. Ce maximum de plasticité ne coïncide pas avec le mini- adouci, il est nécessaire de procéder à un traitement de régénéra-
mum de limite d’élasticité (l’effet durcissant de la finesse des tion qui sera, selon les performances attendues, soit un traitement
grains ferritiques est sensible) et de ce fait les efforts de formage de restauration (vers 500 oC), soit un traitement de recristallisation
ne sont plus minimisés. (entre 650 oC et Ac1).
La globulisation des carbures permet de réduire leur effet dur-
cissant. Plus que par le niveau de la limite d’élasticité, le résultat
est généralement jugé à partir de la résistance à la traction, comme 1.3 Formage à tiède ou à mi-chaud
l’a fait, par exemple, Mathon [14] qui a défini la résistance à la trac-
tion minimale théorique à laquelle doit conduire un traitement de
globulisation (ou coalescence) :
Ce procédé peut constituer un compromis parfois intéressant
Rm (N/mm2) = 226 + B /C + A entre les avantages et les inconvénients des formages à chaud
et à froid.
avec A = 255 [(C%) – 0,1],
B = 294 (Cu%) + 147 (Si%) + 44 (Ni%)
+ 108 (Mn%) [1 – (C%)], En effet, il devrait assurer :
— par rapport au formage à chaud :
C = 1 – 0,15 (C%)
• une économie d’énergie thermique,
Ce résultat met en évidence l’effet nocif des éléments qui dur- • une meilleure approche des cotes finies,
cissent la ferrite en restant en solution solide. Un acier destiné au • un moins grand risque d’altération superficielle (oxy-
formage à froid devra donc contenir le minimum de Cu, de Si, mais dation, décarburation...) ;
aussi de P et, dans la mesure du possible, de Mn et de Ni. — par rapport au formage à froid :
La malléabilité des aciers dépend aussi de leur état inclusion- • une déformabilité plus grande,
naire. Des inclusions d’alumine (en alignements) et de sulfures • de moins fortes sollicitations des outillages.
(déformés au cours du laminage à chaud) constituent, au cours du
formage à froid, des sites d’amorçage de fissures pouvant entraî- A contrario, on peut, bien entendu, remarquer que la forgeabilité
ner le rebut de la pièce, mais aussi sa rupture en cours de fabrica- sera moins grande qu’à chaud, que les efforts de formage seront
tion. Pour améliorer la malléabilité des aciers, les sidérurgistes plus élevés, les sollicitations des outillages plus importantes et
diminuent donc la teneur en oxygène du métal liquide (métallurgie que, par ailleurs, les risques de fissuration pourront être plus
en poche), traitant l’acier liquide avec des produits à base de cal- grands.
cium qui transforment les inclusions d’alumine en aluminates de
En fait, on doit noter que la nocivité des défauts superficiels est
chaux moins nocifs et réduisent la teneur en soufre. Il n’est toute-
pratiquement aussi importante que pour le formage à froid et que
fois pas possible de supprimer totalement tout ajout d’aluminium
les exigences sur ce point devront donc être aussi sévères.
qui doit intervenir dans le calmage de l’acier en lieu et place du sili-
cium prohibé pour sa capacité de durcissement de la ferrite. Les températures de formage se situent entre deux barrières ;
elles doivent être :
— inférieures à la température (Ac1) de début de la transforma-
1.2.2 États de surface tion α → γ. Cette règle est d’autant plus impérative que la teneur en
soufre de l’acier est plus élevée ; cette température Ac1 peut être
L’acier doit présenter un état de surface convenable (défini par estimée à l’aide de diverses formules empiriques :
les normes). En effet les défauts superficiels tels que lignes, fis- Ac1 (oC) = 723 – 10,7 (Mn%) – 16,9 (Ni%) + 29,1 (Si%)
sures, rayures, traces de manutention, constituent des amorces de + 16,9 (Cr%)......[1]
fissuration qui compromettent la mise en forme.
Ac1 (oC) = 739 – 22 (C%) – 7 (Mn%) + 2 (Si%) – 13 (Ni%)
+ 14 (Cr%) + 13 (Mo%) + 20 (V%)....[12]
Ac1 (oC) = 747 – 17,4 (Mn%) – 24,8 (Ni%) + 13,3 (Cr%)
1.2.3 Géométrie précise des produits + 18,4) (Mo%)....[13]
— supérieures aux températures auxquelles se manifeste la fra-
Les produits en acier dans lesquels sont découpés les lopins gilité au bleu (baisse de ductilité liée à un vieillissement dyna-
doivent avoir une géométrie précise afin de limiter les écarts de mique), soit supérieures à 550 oC environ. La figure 2 [14] met en
masse et éviter ainsi des écarts dimensionnels importants sur les évidence, d’une part, le domaine de température dans lequel ce
pièces (et ne pas faire courir aussi le risque de soumettre les outil- phénomène se fait sentir et, d’autre part, l’influence de l’azote.
lages à des efforts exagérés en cas d’excès de métal). L’étirage per-
met d’améliorer la précision géométrique de la section (mais il Les courbes reproduites sur la figure 3 rassemblent des résultats
durcit par écrouissage) ; l’écroûtage offre l’avantage de parvenir à d’essai d’écrasement réalisés à différentes températures sur divers
la fois à une géométrie plus précise et à une suppression des aciers. Elles indiquent les risques de fissuration encourus au cours
défauts de surface. d’une déformation à mi-chaud et montrent que, pratiquement,

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125

Importance de la fissuration (%)

24
Énergie de rupture (daJ/cm2)

Fe + 0,02 %C
20 0,5 %Cr - 0,25 %Mo
100
16

12
75
8
Fe + 0,06 %C + 0,018 %N
4
50 0,48 %C
0
0 160 320 480 640 800
Température (°C) 25

Figure 2 – Variation, en fonction de la température d’essai,

0
de l’énergie de rupture de deux aciers non alliés à basses teneurs
en carbone (d’après [14])
20 600 650 700 750 800 850 900
Température d'écrasement (°C)
L'importance de la fissuration est estimée par rapport à un état de
référence à 20 °C
, état brut de laminage
Importance de la fissuration (%)

, état globulisé
100
0,23 %C - 1,1 %Cr
Figure 4 – Évolution de la fissuration en fonction de la température
d’essais d’écrasement réalisés sur un acier non allié
80 et un acier faiblement allié pour différents états structuraux
(d’après Kobe Steel)

60

0,48 %C
2. Usinage
40 0,53 %C
La mise en forme par enlèvement de matière est très pratiquée
0,25 %C
en mécanique. Elle se fait surtout par enlèvement de copeaux avec
20 des outils dits « coupants » mais, notamment sur des aciers très
durs, elle peut aussi se faire par électroérosion et par voie électro-
chimique.
0

20 650 700 750 800 750 900

2.1 Usinage par enlèvement de copeaux
Température d'écrasement (°C)

L'importance de la fissuration est estimée par rapport à un état de Fondamental en fabrications mécaniques, l’usinage par enlève-
référence à 20 °C ment de copeaux a beaucoup progressé avec le développement de
moyens d’usinage très performants et l’introduction de l’informa-
tique (nouveaux outils, centres d’usinage, commandes numé-
Figure 3 – Évolution de la fissuration en fonction de la température riques, ateliers flexibles, etc.). Ces évolutions ont justifié les
d’essais d’écrasement réalisés sur des aciers non alliés travaux réalisés pour améliorer l’usinabilité des aciers. F. Leroy fait
et sur un acier faiblement allié (d’après Kobe Steel) un point complet des connaissances et des évolutions dans ce
domaine dans l’article Usinage et usinabilité. Nous ne reprendrons
ici que les points concernant les performances des aciers et le
choix des solutions.
l’intervalle de température optimal pour mettre en forme à tiède se On sait que l’usinabilité d’un acier dépend de :
situe entre 650 et 700 oC. La figure 4 empruntée à la même publi-
— sa dureté ;
cation montre que ces limites ne semblent pas évoluer avec l’état
structural initial des aciers. Il est intéressant de noter que, dans cet — son état structural ;
intervalle de température, la limite d’élasticité des aciers non ou — son état inclusionnaire.
peu alliés est très inférieure à ce qu’elle est à 20 oC ; le rapport
limite d’élasticité à chaud/limite d’élasticité à 20 oC est, par exem-
ple de l’ordre de 0,1 à 0,4 pour des aciers non alliés et de 0,2 à 0,5 2.1.1 Influences de la dureté et de l’état structural
pour des aciers faiblement alliés du genre CrMo4.
Ces deux influences se confondent pratiquement. Il est toujours
En formage à mi-chaud, on retrouve l’influence néfaste des possible de tracer une courbe représentant, pour les aciers de
inclusions ; le problème sera traité comme pour le formage à froid construction mécanique, l’évolution d’un indice d’usinabilité en
(cf. § 1.2). fonction de la dureté (figure 5). Une telle courbe montre que,

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250

Indice d'usinabilité

Indice d'usinabilité)
100

(100 = état globulisé

200
80

150 60

100 40

20
50
42NiCrM
o2
0 42CrMo4
État 34CrMo4
0 Ferrite-per
globulisé lite
100 200 300 400 500 600 fine Martensi
Ferrite-per revenue te
lit 400 HB
HB moyenne e Marten
HB dureté Brinell revenue site
300 HB
Indice 100 pour l'acier C 45
Tournage avec outil en acier rapide HB dureté Brinell

Figure 5 – Évolution de l’indice d’usinabilité de divers aciers Figure 7 – Influence de l’état structural de 3 aciers
à 0,014 B S % B 0,030 en fonction de leur dureté sur leur usinabilité relative en tournage avec outil carbure
(l’indice 100 correspond à l’état globulisé)

Longueur perçée (m)

v = 30 m/min
Indice d'usinabilité)

100 20,0
(100 = état globulisé

v = 50 m/min
10,2
80 5,0

60
1,0
0,2
40
0,2
20
42NiCrM 0,05
o2
0 42CrMo4 0 0,1 0,2 0,3
État Teneur en soufre (% en masse)
globulisé Ferrite-per 34CrMo4
lite v vitesse d'usinage
fine Martensi
Ferrite-per revenue te Foret en acier rapide
lit 400 HB
moyenne e Marten
revenue site Avance 0,33 mm/tr
300 HB
HB dureté Brinell
Figure 8 – Influence du soufre sur l’usinabilité (en perçage)
d’aciers à 0,45 % C calmés Al-Si (d’après [15])
Figure 6 – Influence de l’état structural de 3 aciers
sur leur usinabilité relative en tournage avec outil
en acier rapide (l’indice 100 correspond à l’état globulisé)
une évacuation facile des copeaux (on préfère alors les structures
ferrito-perlitiques fines).
Mais on constate aussi que ces descriptions souffrent d’une dis-
globalement, l’usinabilité décroît quand la dureté augmente. persion qui indique que cette analyse manque de finesse et néglige
Comme la dureté dépend de l’état structural, on constate que des facteurs importants. Le plus important d’entre eux est l’état
l’influence de ce dernier est tout à fait comparable comme le mon- inclusionnaire dont on doit analyser l’influence en distinguant les
trent les figures 6 et 7. Cependant, on doit noter que la prise en différents types d’inclusions : sulfures, plomb ou oxydes.
compte des constituants et de leur morphologie permet d’expli-
quer (ce que ne peuvent faire les variations de dureté) des diffé-
rences d’usinabilité lorsque celle-ci est définie non seulement à 2.1.2 Influence de l’état inclusionnaire
travers les performances de vitesse et d’enlèvement de matière
mais en fonction d’autres paramètres (états de surface obtenus,
2.1.2.1 Influence des sulfures
facilité de fragmentation des copeaux). C’est ainsi que les structu-
res globulisées ne sont pas toujours les plus intéressantes lorsque Elle est déterminante. La figure 8 en donne un exemple tiré
l’on recherche une certaine qualité de surface (rugosité limitée) et d’essais de perçage [15]. On voit que de faibles variations de la

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teneur en soufre font évoluer l’usinabilité dans des proportions 2.1.3 Variété des solutions
importantes (la variation relative est d’autant plus forte que la
teneur en soufre est faible). Mais l’addition du soufre affecte sen- L’ensemble de ces considérations explique la variété des solu-
siblement la plasticité de l’acier quand celui-ci est sollicité perpen- tions qui sont proposées, par les normes de produits, à l’usineur
diculairement au sens de laminage (phénomène dit de « travers » soucieux de disposer d’aciers facilement usinables :
d’autant plus sensible que les sulfures ont été plus déformés dans — possibilité de livraison, à la demande, d’aciers traités thermi-
ce sens). Cet effet néfaste peut être corrigé si le sidérurgiste fait en quement pour usinage (avec dureté garantie) ou d’aciers adoucis
sorte que les sulfures soient peu (ou pas) déformables (sulfures (avec dureté maximale garantie), voire d’aciers recuits présentant
dits alors globulisés). un état structural défini ;
— possibilité d’avoir une fourniture d’aciers à teneur en soufre
2.1.2.2 Influence du plomb sur produit comprise entre 0,015 et 0,045 % (aciers non alliés dont
Le plomb est utilisé pour améliorer l’usinabilité des aciers. Prati- la désignation comporte le suffixe R et aciers alliés dont la dési-
quement insoluble dans le fer, le plomb constitue des inclusions gnation comporte la lettre S ; exemples C35R et 34CrMoS4) ;
métalliques dont l’effet est voisin de celui des sulfures (avec une — possibilité, sur accord à la commande, d’avoir une fourniture
action de lubrification plus marquée). Difficiles à fabriquer (les d’acier à usinabilité améliorée :
inclusions de Pb doivent être fines et bien dispersées dans toute la • soit par augmentation de la teneur en soufre sur produit
masse du métal), ces aciers sont aussi sensibles à un effet de jusqu’à 0,100 % avec morphologie contrôlée des sulfures.
« travers » qui affecte la plasticité lorsque le métal est sollicité per- La globulisation des sulfures, indispensable, permet de
pendiculairement au sens de laminage et que les inclusions ont été conserver au métal les propriétés mécaniques garanties avec
très déformées dans ce sens. des teneurs en soufre plus faibles,
• soit par addition de plomb,
2.1.2.3 Influence des oxydes • soit par traitement des oxydes au calcium.
Ces solutions peuvent être retenues individuellement ou
Les oxydes constituent des inclusions plus ou moins abrasives. cumulées ;
Ils peuvent intervenir, en ce qui concerne l’usinabilité :
— possibilité d’approvisionner des aciers spéciaux de décolle-
— comme éléments destructeurs de l’outil (surtout si celui-ci est tage définis par la norme NF EN 10087 qui attire l’attention sur le
en acier rapide) ; c’est le cas surtout des inclusions à base d’alu- fait que certaines propriétés de ces aciers peuvent être affectées
mine et des alignements qu’elles peuvent former ; par les fortes additions de soufre et autres éléments (Pb) amélio-
— comme éléments protecteurs de l’outil ; c’est le cas notam- rant l’usinabilité. Leur emploi doit donc être envisagé avec pru-
ment des silicates vis-à-vis des outils en carbures ; aux grandes dence.
vitesses de coupe, la température régnant à l’interface outil-copeau
est voisine de la température de ramollissement de ces inclusions ;
celles-ci constituent alors un dépôt adhérent à la surface de l’outil
et ralentissent de ce fait son abrasion par le copeau. 2.2 Usinages par électroérosion
Ces remarques conduiraient à rejeter l’aluminium comme élé- et par voie électrochimique
ment intervenant au cours de l’élaboration de l’acier ; mais son
emploi présente des avantages importants par ailleurs. Une solu-
L’électroérosion et l’usinage électrochimique consistent à repro-
tion a été trouvée qui consiste en un traitement du métal liquide
duire, par plongée, la forme d’une électrode-outil dans un bloc de
par le calcium qui modifie la morphologie de l’alumine et engen-
métal. Toutes deux permettent l’usinage d’aciers durcis difficiles à
dre, par ailleurs, la formation d’inclusions mixtes dans lesquelles
usiner par enlèvement de copeaux.
l’alumine est enrobée par les sulfures. La figure 9 montre l’effica-
cité de ce procédé.
2.2.1 Enlèvement de matière par électroérosion
La pièce à usiner et l’électrode-outil (elle-même généralement en
cuivre ou en graphite) sont plongées dans un liquide diélectrique
(en général un hydrocarbure) et soumises à des décharges élec-
Indice d'usinabilité

+180 triques engendrées par un générateur à impulsions. Les étincelles

qui jaillissent provoquent localement la fusion et l’ébullition des
42CrMo4 recuit matériaux constituant la pièce et l’électrode. Le déplacement de
+160 Oxydes non cette dernière est piloté de telle sorte que la distance entre elle et
42CrMo4 traité abrasifs
la pièce reste constante et de l’ordre de quelques centièmes à
+140 (290HB) quelques dixièmes de millimètre. Les métaux enlevés sont évacués
sous forme de fins globules par la mise en circulation du liquide
42CrMo4 recuit diélectrique. Le débit de matière est d’autant plus grand que la
+120 Oxydes
durée des décharges électriques est plus courte, mais la rugosité
42CrMo4 traité abrasifs
résultante s’en trouve dégradée. Ainsi, un débit de 0,5 à plusieurs
Base (290HB)
cm3/min conduira à une rugosité Ra élevée de l’ordre de 20 à
35 µm tandis qu’un débit de 1 à 50 mm3/min permettra d’atteindre
+80 un Ra de 0,5 à 2,5 µm. On passe ainsi d’un usinage d’ébauche à un
usinage de finition.
0 50 100
Teneur en soufre (en 10-3 % en masse) En surface de la pièce usinée, on constate la présence d’une
zone affectée qui comporte :
Tournage avec outils en carbure
HB dureté Brinell
— une zone, la plus extérieure, constituée par du métal fondu et
résolidifié, l’acier pouvant être enrichi en carbone (provenant du
diélectrique) ;
Figure 9 – Variation de l’usinabilité en fonction du traitement — une zone durcie qui a été austénitisée puis trempée au cours
des oxydes et influence du soufre du cycle thermique engendré par chaque décharge ;

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— éventuellement, en profondeur, une zone adoucie par effet de ce stade, et compte tenu des exigences de la construction mécani-
sur-revenu (sa présence dépend de la stabilité de la structure du que, il est judicieux de distinguer les procédés de soudage qui lais-
métal de base). sent ou, au contraire, ne laissent pas subsister du métal fondu brut
L’épaisseur de la totalité de la zone perturbée varie de quelques de solidification (en effet, le métal fondu d’une soudure peut
centaines de micromètres en usinage d’ébauche à quelques micro- constituer un point faible en ce qui concerne certaines propriétés
mètres en usinage de finition. mécaniques, notamment la résilience et la limite d’élasticité après
traitement thermique). On trouve ainsi, parmi les premiers, tous les
Dans la mise en œuvre de ce procédé, il faut noter que l’usina- procédés de soudage par fusion (arc, plasma, faisceau d’électrons,
bilité des aciers ne dépend pas de leurs propriétés mécaniques, ce laser, résistance par point) et, parmi les seconds, un certain nom-
qui permet l’usinage d’aciers traités et très durs. bre de procédés intéressants pour le mécanicien (étincelage, fric-
tion, diffusion).
2.2.2 Enlèvement de matière
par voie électrochimique
3.1 Soudage avec métal fondu subsistant
Entre la pièce à usiner qui constitue l’anode et l’électrode-outil
(elle-même généralement en cuivre ou en acier inoxydable) qui
constitue la cathode, on applique une tension électrique continue 3.1.1 Soudage à l’arc et au plasma
et on fait circuler un électrolyte (généralement une solution
aqueuse de chlorure ou de nitrate de sodium) pour réaliser la dis- Nombre des aciers considérés ici ont une teneur en carbone qui
solution anodique du métal de la pièce. Le déplacement de l’élec- peut atteindre, voire dépasser, 0,3 % et par ailleurs ont, au moins
trode-outil est piloté de telle sorte que la distance entre elle et la pour certains d’entre eux, une trempabilité élevée. Dans ces
pièce reste constante et de l’ordre de quelques dixièmes de milli- conditions, le risque de fissuration à froid peut être grand en pré-
mètre. Le métal enlevé est évacué sous forme d’ions par la mise sence d’hydrogène.
en circulation de l’électrolyte (ces ions sont précipités par ailleurs Il est intéressant de noter que, dans la classification habituelle
pour régénérer l’électrolyte). L’électrode-outil ne subit aucune atta- des aciers en fonction de leur soudabilité, ceux dont il est question
que chimique, mais elle peut être le siège d’un dégagement gazeux ici se classent pour la plupart (document AFNOR FD E 83-100-3) :
(hydrogène). — en catégorie 2 : aciers devant être soudés en absence d’hydro-
Le débit de matière est d’autant plus grand que la densité du gène et nécessitant un préchauffage et un postchauffage ;
courant continu est plus élevée (la vitesse d’usinage peut atteindre — ou en catégorie 3 : aciers dont le soudage est à éviter ; compte
plusieurs millimètres par minute). La rugosité résultante Ra est de tenu des risques importants de fissuration.
l’ordre de 0,2 à 3 µm (elle peut être améliorée par l’utilisation d’un
Seuls quelques-uns d’entre eux, tels C30, C35, 16MnCr4,
courant pulsé).
18CrMo4, 16NiCr4 et 10NiCr5-4, se classent en catégorie 1 (aciers
La géométrie de l’électrode-outil demande une mise au point à souder avec bas hydrogène et préchauffage) et un plus petit
particulière du fait que sa distance à la pièce, en chaque point, nombre encore, tels C10, C15, C16 en catégorie 0 (aciers sans pro-
dépend de l’orientation de son déplacement par rapport à la sur- blème particulier, à souder avec des procédés à bas hydrogène
face usinée. quand l’épaisseur dépasse 20 mm).
Dans la mise en œuvre de ce procédé, il faut noter que les car- La figure 10 permet d’interpréter ce classement en fonction de la
bures lamellaires présents se dissolvent mal et provoquent des teneur en carbone d’une part et, d’autre part, de la somme des
défauts de rugosité. Les résultats sont d’autant meilleurs que les termes qui, dans la formule de carbone équivalent, fait intervenir
carbures précipités sont plus fins et bien répartis (il en est ainsi les éléments d’alliage :
pour les aciers trempés et revenus).
[Mn%/6] + [(Cr% + Mo% + V%)/5] + [(Ni% + Cr%)/15] = Ceq – C%
L’emploi des procédés à bas hydrogène est donc indispensable.
La mise en œuvre, dans la mesure du possible, d’une énergie éle-
3. Soudage vée est préférable.
Les procédés qui confèrent au joint un bel état de surface et des
raccordements très progressifs [MAG (Metal Active Gas), fils four-
Le soudage est une technique d’assemblage qui reconstitue la rés sous gaz, flux en poudre...] seront préférés ; ils permettent en
continuité métallique entre deux éléments d’un ensemble. Son uti- effet d’assurer une meilleure tenue mécanique de l’assemblage
lisation en construction mécanique permet : (rupture fragile, fatigue).
— la réalisation de pièces complexes ;
— de diminuer les chutes (copeaux, bavures...) en fabrication ;
— de s’affranchir de certaines contraintes liées au forgeage et au 3.1.2 Soudage à haute énergie
moulage (dépouille...).
Ces procédés, qui font intervenir un faisceau d’électrons ou un
Il conduit souvent à une meilleure utilisation du métal qu’il est
faisceau de lumière cohérente (laser), ont l’avantage de créer des
possible de ne mettre que là où il est nécessaire (d’où des gains de
cordons peu épais et des ZAC (zone affectée par la chaleur) étroi-
masse).
tes, ce qui limite l’amplitude des déformations et le niveau des
Mais il crée des effets thermiques localisés importants et contraintes résiduelles. Ils peuvent permettre le soudage de pièces
engendre, de ce fait, des transformations, des déformations et des de géométrie complexe.
contraintes résiduelles que le mécanicien doit maîtriser. Cependant
Ils s’appliquent à tous les aciers considérés ici.
la situation devient très favorable lorsque, comme cela est souvent
le cas en mécanique, un traitement thermique complet est réalisé
après soudage. 3.1.3 Soudage par résistance par point
Tout ce qui concerne les procédés de soudage et leur utilisation
est décrit dans la rubrique Soudage du traité Génie mécanique. Appliqué seulement au produits plats minces, ce procédé permet
Nous n’évoquerons ici que celles de leurs particularités qui sont de réaliser l’assemblage d’éléments préformés. La tenue mécani-
susceptibles d’intervenir dans le choix de l’un d’entre eux. Mais à que dépend de l’état structural du métal fondu de chaque point

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3.2.3 Soudage par diffusion

0,6 Il a été montré [17] que ce procédé judicieusement piloté per-
Teneur en carbone (%)

mettait le soudage rapide (quelques secondes) de pièces mécani-

ques tout en respectant la qualité métallurgique des aciers de base
(température de chauffage ne dépassant pas 1 050 oC), les défor-
0,5
Éviter le soudage
mations induites sont très limitées. Des traitements thermiques
peuvent être couplés avec le cycle thermique de soudage.
L’utilisation du procédé se heurte à la nécessité de préparer les
0,4
surfaces à assembler et de procéder sous atmosphère neutre ou
sous vide. Mais le principal obstacle est la non-disponibilité de
Préchauffage + postchauffage machine de soudage par diffusion.
0,3 entre 250 et 300 °C

Préchauffage + postchauffage
entre 200 et 250 °C
0,2
4. Traitements thermiques
Préchauffage + postchauffage
entre 150 et 200 °C
0,1 Les traitements thermiques sont, bien évidemment, la clé don-
Sans préchauffage Préchauffage jusqu'à 200 °C nant accès à l’ensemble des performances des aciers présentés ici
(cf. § 1 et figure 1 de l’article [M 4 530]. Les phénomènes qu’ils
mettent en jeu, ainsi que les conditions de leur réalisation, sont
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 décrits dans les articles [M 1 115] Transformations dans les aciers,
[Mn%/6] + [(Cr% + Mo% + V%)/5] + [(Ni% + Cr%/15] Traitements thermiques des aciers de construction et [M 1 205]
Traitements thermiques superficiels des aciers.
Nous nous limiterons ici à rappeler brièvement quels sont les
Figure 10 – Description schématique de la soudabilité métallurgique principaux types de traitements thermiques, quelles sont leurs par-
des aciers ticularités et ce que l’utilisateur peut en attendre, en les classant en
fonction de leur but :
— adoucir le métal pour que sa mise en œuvre soit facilitée ;
— durcir le métal pour lui conférer des propriétés qui rendent la
qui, compte tenu des aciers considérés ici, est généralement mar- pièce finie apte au service prévu ;
tensitique. Il est bon alors de moduler les conditions de refroidis- — obtenir certains résultats particuliers.
sement de chaque point pour diminuer sa fragilité.

4.1 Traitements d’adoucissement

3.2 Soudage sans métal fondu subsistant
On doit distinguer ici différentes procédures convenant chacune
à des conditions particulières de mise en œuvre.
3.2.1 Soudage par étincelage en bout
Le procédé de soudage en bout par étincelage est très utilisé en 4.1.1 Recuit d’adoucissement maximal
mécanique. Il autorise le soudage de fortes sections avec des pour le formage à froid
cycles thermiques relativement lents ; le risque de formation de
Ce recuit doit conduire à une structure généralement dite globu-
structures peu ductiles (compte tenu de certaines teneurs en C) est
lisée (ou coalescée ou sphéroïdisée) dans laquelle les carbures ont
donc atténué, mais le grossissement des grains dans la ZAC (zone
pris une forme sphérique stable ; il conduit pratiquement aux
affectée par la chaleur) peut être important ; le traitement thermi-
valeurs minimales de la limite d’élasticité et de la résistance du
que final permet de résorber ce défaut.
métal.
Il exige par ailleurs, pour la bonne tenue mécanique des Ce traitement comporte un maintien prolongé à une température
assemblages, une opération d’usinage qui élimine le bourrelet très légèrement inférieure à Ac1 [voir diagramme TTT (température
formé lors du refoulement. temps transformation) ou TRC (transformation en refroidissement
Il s’applique à tous les aciers considérés ici et autorise les sou- continu)]. Il est parfois possible de le faire précéder (et cela permet
dages hétérogènes. La source de courant peut être utilisée pour de réduire la durée du maintien à la température définie ci-avant)
réaliser des traitements thermiques complémentaires (postchauf- par un chauffage à une température légèrement supérieure à Ac1
fage, recuit). (de 10 à 20 oC). Dans des cas difficiles, on peut faire osciller plu-
sieurs fois la température entre les niveaux qui viennent d’être
définis.
3.2.2 Soudage par friction
Ce procédé exige qu’une des deux parties de l’assemblage soit 4.1.2 Recuit isotherme pour usinage
constituée d’une pièce qui puisse être mise en rotation. Le joint ne
Ce recuit doit conduire à une structure à petits grains de ferrite
contient pas de métal brut de solidification, ce qui améliore ses
et à perlite fine (suivant le mode d’usinage, l’état structural sou-
performances mécaniques.
haité peut être différent).
Très comparable au soudage par étincelage, il exige, comme lui, Il comporte une austénitisation réalisée dans les conditions habi-
un usinage pour enlever le bourrelet. tuelles pour l’acier suivie d’un refroidissement interrompu par un
Il s’applique à tous les aciers considérés ici et permet de réaliser maintien à une température à laquelle la transformation de l’aus-
des soudages hétérogènes. ténite donnera la structure ferrito-perlitique souhaitée.

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Les conditions de ce traitement se définissent donc directement

à partir du diagramme TTT de l’acier qui permet : 900

Température (°C)
— de choisir la température de maintien afin que la durée de
celui-ci ne soit pas trop longue et donc coûteuse, étant entendu
que la structure ferrite-perlite sera d’autant plus fine que cette 800
température sera plus basse dans les limites fixées par le dia- Ac3
gramme (il faut éviter la formation de bainite) ; Ac1
— de définir la durée de maintien en prenant la marge de sécu- 700
rité nécessaire ; A
— de se faire une idée du niveau qu’atteindra ensuite la dureté A+F+C
100
de l’acier. 600
100
Ajoutons que le report sur le diagramme TRC (transformation en 60
refroidissement continu) des lois de refroidissement réalisées entre
la température d’austénitisation et la température de maintien (ce 500
refroidissement devrait être, théoriquement, instantané) permet de
vérifier si la transformation γ → α ne débute pas en un point
quelconque de la pièce avant que celle-ci soit parvenue à la 400
A+F+C
température de maintien, ce qui aurait pour effet de provoquer la
formation en ce point d’une structure plus grossière et montrerait
qu’il est nécessaire d’accélérer ce refroidissement. 300 80 82 91 92 40
50
Ms
A+M 12
4.1.3 Traitement d’adoucissement banal 200

Ce traitement a pour objet d’abaisser simplement la dureté du

métal. Les conditions dans lesquelles il sera réalisé dépendront de
100 1 2 3
l’acier, de son état avant traitement et du résultat recherché.
∆t 300
700 (s) 20 236 3 500
En général, il comporte un chauffage à une température
légèrement inférieure à Ac1 (voir le diagramme TTT), suivi d’un 0
refroidissement très lent jusqu’à environ 550 oC. Le refroidisse- 2 4 68 2 4 68 2 2 4 68 3 2 4 68 4 2 4 68 5
ment ultérieur peut être plus rapide (si le réglage de la température 1 10 10 10 10 10
a été tel que la transformation des plages perlitiques n’a pas 1 min 2 min 15 min 1h 2h4h 8h 24 h
commencé). L’état structural obtenu est celui décrit par les normes Temps (s)
NF EN 10083 et NF EN 10084 sous la référence +A. structure martensitique
structure bainito-martensitique
A austénite
4.1.4 Traitement thermique particulier C cémentite
Dans certains cas, et notamment lorsque la structure d’un acier F ferrite
M martensite
avant traitement thermique final est grossière (état globulisé, état
Les nombres situés le long des courbes de refroidissement
brut de forge, etc.), le mécanicien peut souhaiter conférer au métal
sont les pourcentages d'austénite initiale transformée dans
une structure plus fine qui facilitera la réalisation du traitement le domaine précédent
thermique ultérieur et améliorera le niveau des propriétés obte-
nues. Ce résultat sera acquis en faisant subir à l’acier un traitement ∆t 700
300 durée du refroidissement de 700 à 300 °C
d’affinage structural qui comprendra, généralement, un chauffage
jusqu’à une température juste suffisante pour que l’austénitisation Figure 11 – Détermination des conditions de refroidissement
soit complète, suivi d’un refroidissement dans des conditions permettant de réaliser un durcissement par trempe avec formation
convenables pour obtenir une structure ferrito-perlitique fine (voir d’une structure martensitique ou bainito-martensitique
diagramme TRC en tenant compte de la modification des
conditions d’austénitisation qui, généralement, va diminuer la
trempabilité). Souvent, pour les aciers non alliés ou faiblement Le diagramme TRC de l’acier permet de définir, pour la procé-
alliés, le refroidissement à l’air satisfait aux conditions imposées et dure d’austénitisation correspondante, les conditions de refroidis-
l’on dit alors que l’on réalise une normalisation. sement qui assureront un tel résultat (figure 11).
La définition des conditions de refroidissement qui doivent être
réalisées pour permettre l’obtention de structures martensitiques
4.2 Traitements conférant des propriétés ou mixtes (partiellement bainitiques) pose le problème de l’effet de
masse. En effet, lorsque l’on refroidit un solide, le refroidissement
d’emploi dans la masse à cœur est plus lent qu’en peau et cela d’autant plus que la section
du corps considéré est grande et le milieu de refroidissement plus
Ces traitements comprennent deux opérations : énergique. Or, lors de la réalisation de la trempe, il faudra obtenir
— la trempe après austénitisation ; dans la masse des conditions de refroidissement satisfaisant aux
— le revenu après trempe. impératifs définis à l’aide du diagramme TRC, faute de quoi on
constaterait une dégradation à cœur des propriétés de l’acier.
La nécessité de satisfaire à cette exigence peut conduire à choisir
4.2.1 Trempe après austénitisation une nuance requérant des conditions de refroidissement moins
Cette opération consiste à refroidir un acier, préalablement porté sévères, c’est-à-dire une nuance dont la trempabilité soit plus
à l’état austénitique au cours d’un chauffage à température élevée, grande (acier plus trempant).
dans des conditions telles (trempe) qu’après refroidissement sa La norme NF EN 10083-1 donne des indications sur les tempéra-
structure soit formée de martensite (et éventuellement d’un peu de tures d’austénitisation et les milieux de trempe qui doivent être
bainite). utilisés ; elles sont rappelées dans le tableau 2 suivant.

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(0)

Tableau 2 – Conditions de trempe pour les aciers de la norme NF EN 10083-1

Aciers non alliés Aciers alliés

Température Température
d’austénitisation Milieu d’austénitisation Milieu
Nuance Nuance
de trempe (*) de trempe (*)
(oC) (oC)

C22 860 à 900 E 34Cr4 830 à 870 E ou H

C25 860 à 900 E 37Cr4 825 à 865 H ou E
C30 850 à 890 E 41Cr4 820 à 860 H ou E
C35 840 à 880 E ou H 25CrMo4 840 à 880 E ou H
C40 830 à 870 E ou H 34CrMo4 830 à 870 H ou E
C45 820 à 860 E ou H 42CrMo4 820 à 860 H ou E
C50 810 à 850 H ou E 50CrMo4 820 à 860 H
C55 805 à 845 H ou E 36CrNiMo4 820 à 850 H ou E
C60 800 à 840 H ou E 34CrNiMo6 830 à 860 H
28Mn6 830 à 870 E ou H 30CrNiMo8 830 à 860 H
38Cr2 830 à 870 H ou E 36CrNiMo16 865 à 885 A ou H
46Cr2 820 à 860 H ou E 51CrV4 820 à 860 H
(*) E = eau H = huile A = air.

Une des conséquences de l’effet de masse est que les caracté- — de rendre au métal une certaine ductilité qui assurera la sécu-
ristiques mécaniques mesurées sur éprouvettes traitées isolément rité en service.
ne sont pas celles des pièces traitées de masses et sections diffé- Cette opération qui adoucit l’acier trempé est le revenu, traite-
rentes. ment thermique auquel on soumet un acier à la suite d’un durcis-
Les différences de refroidissement dans la section d’une pièce sement par trempe pour amener ses propriétés aux niveaux
créent des différences de température qui vont être responsables : souhaités.
— de déformations dues aux différences de dilatation ; Ce revenu comporte un chauffage à une température déterminée
— de décalages chronologiques dans le déroulement des trans- toujours inférieure à Ac1 avec maintien à cette température puis
formations et, donc, dans l’apparition des anomalies de dilatation refroidissement selon des modes et lois appropriés.
correspondantes. Dans la pratique, on peut classer les différentes conditions des
Ces phénomènes engendrent, d’une part, des déformations irré- revenus auxquels on soumet les aciers de traitements thermiques
versibles des pièces, d’autre part, des contraintes susceptibles de utilisés en mécanique en trois classes :
provoquer éventuellement des tapures et cela d’autant plus que les — le revenu dit de détente ;
refroidissements sont rapides et la section des pièces importante. — le revenu (banal) ;
Pour pallier ces inconvénients, on réalise parfois une trempe éta- — le revenu de durcissement secondaire.
gée martensitique qui est une trempe au cours de laquelle on inter-
rompt momentanément le refroidissement par un maintien dans 4.2.2.1 Revenu de détente
un milieu à température légèrement supérieure à Ms (température
Il est effectué à une température généralement inférieure à
de début de la transformation martensitique), la durée de ce main-
220 oC sur des structures totalement ou partiellement martensi-
tien étant assez courte pour éviter toute transformation de l’austé-
tiques. Il provoque un début de précipitation du carbone. Cette
nite en bainite. Ce maintien permet de réduire les écarts de
évolution permet à la maille de la martensite de perdre partiel-
température dans les pièces avant de réaliser la transformation
lement son caractère tétragonal et engendre de ce fait une relaxa-
martensitique au cours du refroidissement qui suit.
tion des tensions propres existant à l’échelle de cette maille. Dans
Le diagramme TRC permet ici de définir les conditions de refroi- ces conditions, il provoque une baisse très modérée de la résis-
dissement qui éviteront toute transformation γ → α avant l’arrivée tance à la traction, mais par contre une remontée très sensible de
à la température de maintien choisie (et donc aussi de juger de la la limite d’élasticité due à la relaxation des tensions (par voie de
faisabilité de ce traitement dans les conditions considérées). conséquence, la dureté qui dépend de ces deux grandeurs ne varie
pas sensiblement). Par contre, les caractéristiques de ductilité sont
légèrement améliorées.
4.2.2 Revenu après trempe Ce revenu de détente est parfois pratiqué sur des pièces en acier
à haute résistance fortement sollicitées, mais qui ne sont pas sou-
Il est nécessaire, après un durcissement par trempe conduisant
mises à des conditions de travail pouvant engendrer une rupture
à la dureté maximale de l’acier, mais aussi à une fragilité d’autant
brutale.
plus grande que ce dernier est riche en carbone, de provoquer une
précipitation de carbures, précipitation qui aura pour consé-
quences : 4.2.2.2 Revenu banal
— de stabiliser la structure pour éviter toute évolution en service Ce revenu réalisé à une température généralement comprise
(évolution qui modifierait les propriétés mécaniques des pièces) ; entre 525 et 550 oC provoque la précipitation complète du carbone

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sous la forme de carbures. Il permet donc de redonner à l’acier une On peut distinguer deux grandes catégories dans ces traitements
ductilité importante au prix d’un abaissement sensible de ses superficiels :
caractéristiques de résistance, ces effets croissant avec la tempéra- — le durcissement par trempe après chauffage superficiel ;
ture. Après durcissement par trempe, ce revenu permet de trouver — les traitements thermochimiques qui modifient la compo-
le meilleur compromis, eu égard aux conditions d’emploi, entre le sition du métal au voisinage de sa surface.
niveau des caractéristiques de résistance [R m (résistance à la
traction), Re (limite d’élasticité), dureté] et celui des caractéristiques
de ductilité [A (allongement), Z (coefficient de striction), K (rési- 4.3.1 Durcissement par trempe
lience)]. après chauffage superficiel
Les conditions dans lesquelles il sera réalisé dépendent non
seulement du compromis recherché, mais aussi du comportement Cette technique, couramment appelée trempe superficielle per-
propre de l’acier, fonction lui-même de sa composition et de son met d’obtenir en surface des duretés élevées et de générer des
état de durcissement par trempe. contraintes résiduelles favorables, tout en conservant à la
Aussi, dans la pratique industrielle, l’utilisateur a-t-il intérêt à se sous-couche une bonne ténacité. Elle est décrite dans l’article
reporter aux documents indiquant l’évolution des caractéristiques [M 1 205] Traitements thermiques superficiels des aciers.
mécaniques de la nuance considérée en fonction de la température La trempe superficielle se fait sans modification chimique de la
de revenu. De telles informations figurent dans les catalogues des surface de la pièce. Elle exige donc l’emploi d’aciers contenant
sociétés sidérurgiques ainsi que, pour un nombre croissant de assez de carbone (en général C% > 0,30) pour atteindre en surface
nuances, dans les dossiers techniques publiés par l’OTUA. les duretés recherchées après trempe.
L’effet de la durée du maintien à la température de revenu est Les pièces destinées à la trempe superficielle sont chauffées sur
semblable à celui de cette dernière, quoique à échelle moindre. On la totalité ou sur une partie de leur surface au-dessus de Ac3 durant
pourra donc, dans une certaine mesure, pour obtenir un même un temps très court et immédiatement refroidies au moyen de jets
résultat, faire varier en sens inverse température et durée de main- d’eau sous pression. Ces conditions d’austénitisation conduisent
tien. Des formules paramétriques permettent de déterminer souvent à porter la surface des pièces à des températures plus éle-
approximativement les couples température/durée de maintien vées que les températures d’austénitisation habituelles, cela pour
équivalents dans des domaines de variation limités (cf. article compenser la très faible durée du cycle thermique.
[M 1 115] Transformations dans les aciers ). Dans la plupart des cas et plus particulièrement pour la trempe
en série, le chauffage se fait électriquement au moyen de courants
4.2.2.3 Revenu de durcissement secondaire induits de moyenne ou haute fréquence allant de 1 000 à plusieurs
Ce revenu généralement réalisé entre 600 et 650 oC, provoque la millions de hertz. Pour la trempe de faible série, ou de pièces uni-
précipitation, dans les aciers qui contiennent les éléments d’alliage taires, ou encore de certaines parties de pièces très volumineuses,
nécessaires (éléments carburigènes) de carbures fins alliés tels que le chauffage se fait au moyen de flammes oxyacétyléniques ou
Mo2C, V4C3 , W2C ou TiC ; on assiste alors à un relèvement des oxygène-gaz. Trois autres modes de chauffage peuvent être
caractéristiques de résistance de l’acier d’autant plus important utilisés : la torche à plasma, le faisceau d’électrons ou le faisceau
que l’austénite avant trempe était plus riche en carbone et en élé- laser. L’article [M 1 205] Traitements thermiques superficiels des
ments d’alliages carburigènes mis en solution. Simultanément, les aciers détaille les avantages et les inconvénients des différents pro-
caractéristiques de ductilité sont abaissées. Le maximum de dur- cédés. La trempe superficielle, surtout celle comportant un chauf-
cissement et de fragilisation est généralement atteint vers 600 oC. fage par induction, se prête parfaitement à l’automatisation et
Au-delà de cette température, la coalescence des précipités va pro- permet, grâce à un réglage très précis des conditions de chauffage
voquer un adoucissement accompagné d’une amélioration des et de refroidissement, d’obtenir des duretés et des profondeurs de
caractéristiques de ductilité et, habituellement, le compromis entre trempe très régulières sur des séries de plusieurs milliers et dizai-
les niveaux de ces propriétés sera recherché en effectuant le nes de milliers de pièces. Des résultats uniformes ne peuvent tou-
revenu entre 600 et 650 oC. Ce durcissement dit secondaire permet tefois être atteints que si les pièces trempées sont fabriquées dans
de garder à l’acier des performances de résistance assez élevées un acier approprié.
tout en stabilisant la structure en vue d’un emploi à chaud. La profondeur sera déterminée par l’usage et la section de la
pièce. On prendra en particulier en considération le fait que la
meilleure tenue à des sollicitations en service ne sera atteinte que
si la couche extérieure trempée est soumise à de fortes contraintes
4.3 Traitements conférant des propriétés résiduelles de compression engendrées par la trempe locale. Cette
d’emploi au voisinage de la surface condition impose certaines limites d’épaisseur trempée par rapport
à la section totale.
Ces traitements thermiques ont pour objet d’améliorer les per- L’essor considérable pris par la trempe superficielle est dû aux
formances mécaniques des pièces sollicitées principalement au avantages apportés par :
voisinage de leur surface et d’accroître ainsi, par exemple :
— l’amélioration importante de la résistance à la fatigue des
— leur endurance sous contraintes non uniformes (flexion, pièces traitées (due aux contraintes superficielles de compression) ;
torsion) ; — la bonne tenue à l’usure des surfaces trempées (due à la
— leur tenue à la fatigue-roulement sous fortes charges, ce qui dureté) ;
permet d’éviter les écaillages ; — l’absence de décarburation et une oxydation très réduite, voire
— leur résistance à l’usure. nulle ;
D’autre part, ces traitements ont des avantages particuliers : — la facilité d’un traitement précis des parties à tremper ;
— ils permettent d’obtenir des caractéristiques mécaniques très — les faibles déformations limitant les usinages de finition ;
élevées en surface tout en conservant à cœur une ductilité qui — la grande productivité et le faible encombrement des instal-
assure la sécurité du fonctionnement ; lations, ainsi que leurs facilités d’automatisation (dans le cas d’uti-
— les conditions de mise en forme ne sont pas affectées par ces lisation du chauffage par induction) ;
procédés qui n’interviennent qu’aux derniers stades de la réalisa- — l’économie sur les coûts de l’acier (auquel on ne demande pas
tion des pièces ; d’avoir une trempabilité permettant la trempe à cœur) ;
— le traitement des seules parties fonctionnelles permet d’éco- — l’économie du traitement qui permet de limiter la dépense
nomiser l’énergie et parfois d’utiliser des aciers moins coûteux. énergétique.

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Il convient cependant de noter que la résistance à l’usure de la 4.3.2.2 Carbonitruration

couche trempée ainsi que les contraintes de compression induites
en surface sont inférieures aux valeurs obtenues avec les trai-
tements thermochimiques tels que la cémentation, la carbonitru- C’est un traitement qui provoque un enrichissement de la sur-
ration ou la nitruration, ces derniers traitements permettant face de l’acier simultanément en carbone et en azote par un
d’atteindre des duretés superficielles plus élevées que celles réali- mécanisme analogue à celui de la cémentation.
sées par la simple trempe.
Réalisée autrefois en bain de sels (cyanuration), elle l’est surtout
aujourd’hui par voie gazeuse. L’apport de carbone se fait au moyen
4.3.2 Traitements thermochimiques de gaz de composition proche de celle des gaz de cémentation.
L’azote est apporté par des composés azotés et en particulier par
Dans son acceptation générale, ce terme signifie « traitements l’ammoniac qui, aux températures du traitement, se dissocie.
thermiques effectués dans un milieu convenablement choisi pour L’azote, selon la composition de l’acier est présent en solution
obtenir une modification de la composition chimique de la surface solide d’insertion ou partiellement précipité sous forme de carbo-
du métal de base par échange avec ce milieu ». Il faut noter que nitrures.
cette définition sous-entend que les modifications de composition
La carbonitruration est effectuée à des températures comprises
chimique intéressent une profondeur plus ou moins grande sous la
entre 800 et 900 oC (l’acier est à l’état austénitique). La durée de
surface et qu’elles sont réalisées au cours du traitement thermique
l’opération, de l’ordre de 30 min à quelques heures, est inférieure
qui va donner à la pièce ses propriétés d’emploi. Ces traitements
à celle de la cémentation pour des épaisseurs de couche allant de
thermochimiques sont décrits dans l’article Pratique des traite-
0,05 à 0,6 mm. Le traitement se faisant à des températures plus fai-
ments thermochimiques.
bles permet de supprimer tout risque de surchauffe du métal et de
Les plus utilisés de ces traitements ont pour objet principal : grossissement du grain. La diffusion de l’azote et du carbone se
— de modifier en surface la capacité de durcissement de l’acier fait à des vitesses peu différentes, mais la dissociation de l’ammo-
(cémentation, carbonitruration) de telle sorte qu’après trempe il pré- niac augmentant rapidement aux températures supérieures à
sente une plus grande dureté superficielle ; 600 oC, la teneur en azote des couches carbonitrurées diminue
— d’augmenter la résistance à l’usure (en améliorant éventuel- avec l’élévation de la température, au bénéfice de la teneur en car-
lement les qualités de frottement) ; bone. Les proportions respectives dépendent également de la
composition de l’atmosphère. Dans les cas plus courants la teneur
— d’augmenter la résistance à la corrosion.
en azote des couches carbonitrurées est souvent inférieure à 0,6 %.
La trempe étant effectuée à partir de températures plus basses
4.3.2.1 Cémentation permet de réduire et de mieux maîtriser les déformations. Elle
laisse toujours subsister de l’austénite résiduelle.

C’est un traitement thermochimique d’enrichissement superfi- La dureté des surfaces carbonitrurées est plus élevée que celle
ciel en carbone qui s’applique principalement à des aciers doux des surfaces cémentées, il en est de même pour leur résistance à
contenant moins de 0,25 % de carbone. l’usure. Corrélativement, l’élévation du niveau des contraintes de
compression dans les régions superficielles apporte une meilleure
tenue en fatigue.
L’opération est réalisée dans un milieu susceptible de céder du La carbonitruration peut aussi être effectuée à des températures
carbone à l’acier porté à l’état austénitique. Le plus souvent, la voisines de 700 oC. Le cœur de la pièce reste alors à l’état
cémentation se fait entre 880 et 950 oC. Pour accélérer les réactions ferrito-perlitique et c’est l’apport d’azote qui, en abaissant l’inter-
d’apport et de diffusion du carbone dans l’acier, on opère parfois valle de transformation α → γ, provoque l’austénitisation de la
entre 950 et 1 050 oC sur des aciers qui conservent un grain fin à couche superficielle qui alors accepte le carbone et, ultérieure-
ces températures (aciers « calmés » à l’aluminium notamment). ment, se transforme en martensite lors de la trempe à l’huile qui
La cémentation est suivie d’une trempe soit directement à la achève le traitement. La profondeur durcie est de quelques dixiè-
sortie de la cémentation (trempe directe), soit après refroidis- mes de millimètre au maximum.
sement du métal et réausténitisation ultérieure.
La couche cémentée atteint le maximum de dureté après trempe 4.3.2.3 Nitruration
martensitique pour des teneurs en carbone voisines de l’eutec-
toïde, soit de 0,7 à 0,9 %. Elle contient systématiquement de l’aus-
ténite résiduelle. La dureté après trempe se situe aux environs de C’est un traitement thermochimique d’enrichissement superfi-
800 à 900 HV ou 64 à 67 HRC. Un revenu de détente (180/200 oC) ciel en azote qui est réalisé dans un milieu (contenant de
après trempe ramène la dureté aux environs de 600 à 760 HV, ou l’ammoniac) susceptible de céder cet élément à l’acier.
58 à 63 HRC.
L’épaisseur de la couche cémentée varie avec la destination et le La solubilité de l’azote dans le fer α, à partir de 500 oC, est très
volume de la pièce. Les épaisseurs importantes, de 0,8 à 1,8 mm supérieure à celle du carbone ; à 590 oC elle atteint 0,10 % (contre
ou plus, sont réservées à des pièces devant résister à l’usure et à 0,005 % pour le carbone à la même température). Cet état de fait
des pièces de forte section. Pour les pièces de moyenne et faible permet de nitrurer les aciers en les maintenant à l’état α ; ainsi, il
sections, tels les engrenages d’automobiles, des épaisseurs de 0,2 n’est donc pas nécessaire d’effectuer une trempe après nitruration
à 0,8 mm sont généralement suffisantes. ce qui présente l’avantage de simplifier les opérations et d’éliminer
Le cœur de la pièce, pauvre en carbone, conserve après trempe certains risques (tapures, déformations, austénite résiduelle). La
(et selon sa trempabilité) une structure bainitique ou perlito-baini- nitruration des aciers peut donc se faire sur un métal ayant subi au
tique, douce et tenace qui soutient la couche durcie et assure la préalable un traitement thermique de trempe et de revenu et pos-
sécurité de fonctionnement. L’interaction des propriétés complé- sédant des caractéristiques mécaniques élevées (la température de
mentaires entre surface et sous-couche permet donc de réaliser revenu doit alors être supérieure à la température de nitruration,
des pièces à la fois dures en surface, tenaces à cœur et peu fra- mais la nitruration peut aussi faire fonction de revenu).
giles. Leur endurance est accrue par l’existence en surface de Après nitruration, l’azote peut se trouver dans des états
contraintes de compression. différents :

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— en solution solide d’insertion dans le réseau cristallin du fer 4.3.2.5 Traitements d’amélioration
α ; il forme alors la couche de diffusion (dont l’épaisseur est géné- des conditions de frottement
ralement de l’ordre de quelques dixièmes de millimètres). Cette Ces traitements ont pour objet d’apporter à la surface des pièces
insertion produit un durcissement limité (dureté inférieure à 500 HV) soumises à des frottements des éléments qui améliorent les
de l’acier et améliore la résistance à la fatigue ; conditions de frottement et diminuent l’usure.
— en combinaison avec le fer sous forme de nitrure FecN (γ ′) ou
Fex N (ε) (avec 2 < x < 3). Ces nitrures forment, en extrême surface, ■ Sulfurations à basse température
une couche de combinaison très dure dont l’épaisseur peut Elles consistent à introduire du soufre à la surface de l’acier au
atteindre 30 µm. Cette couche apporte une amélioration très notable cours d’opérations conduites entre 150 et 200 oC :
de la résistance à l’usure et des propriétés de frottement ; — héparisation réalisée en milieu liquide à 140-150 oC ;
— en combinaison avec certains éléments d’alliage, tels que le — SULF-BT réalisé en bain d’électrolyse (pièces à l’anode) à
chrome, le molybdène, l’aluminium ou le vanadium, sous forme 185-195 oC ;
nitrures bien plus durs que ceux de fer. Dans ce cas les nitrures sont — sulfuration ionique exécutée à 200 oC.
précipités dans la couche de diffusion et la couche de combinaison Après sulfuration, les pièces ne subissent pas d’autre traitement
peut ne pas se former. thermique.
La dureté de la couche de combinaison formée sur les aciers non ■ Apports d’étain et/ou de cuivre à chaud
alliés peut varier de 500 à 1 000 HV0,1 ; celle formée sur les aciers o
alliés atteint 950 à 1 100 HV0,1 . La dureté de la couche de diffusion ● Stanal : traitement de thermodiffusion d’étain vers 600 C à la
est faible sur les aciers non alliés (300 à 400 HV), mais elle peut surface d’une pièce en acier. Les couches successives de diffusion
atteindre des niveaux élevés avec des aciers alliés (400 à 1 400 HV). contiennent des composés métalliques malléables, tels que FeSn2
Le traitement de nitruration est donc particulièrement recom- et FeSn et un composé dur Fe3Sn. Ce traitement permet de résoudre
mandé pour toutes les pièces devant présenter une très grande les problèmes combinés d’usure, de grippage et de corrosion
résistance à l’usure par frottement dans la mesure où ces pièces ne d’organes en aciers.
o
● Forez : ce traitement réalise une diffusion sélective vers 600 C
travaillent pas au choc. Les bonnes qualités de frottement peuvent
être conservées jusqu’à des températures atteignant 550 et 600 oC. d’étain et de cuivre conduisant, en partant de la surface, aux
couches suivantes :
La nitruration élève également de façon notable la limite d’endu-
— une couche superficielle très mince à base d’étain (68 %) char-
rance d’une pièce grâce à l’augmentation considérable de la dureté
gée d’inhiber toute possibilité de grippage par soudure avec la sur-
superficielle et à l’introduction en surface de contraintes de
face antagoniste ;
compression favorables. Cette opération convient plus particulière-
— une couche dure et ductile de cuivre-étain résistant aux
ment pour des pièces très sollicitées en fatigue, telles que les vile-
contraintes et pressions en service et susceptible d’alimenter en
brequins très chargés. Elle présente l’avantage sur la trempe par
étain la couche supérieure inhibitrice de microsoudure ;
induction de pénétrer dans le fond des filetages, entailles ou
— une couche de transition à concentration décroissante en
rainures, et de réduire ainsi l’action très défavorable de ces
métaux d’apport.
discontinuités de géométrie sur la limite d’endurance des pièces.
L’enrichissement superficiel en étain et en cuivre permet le
La nitruration peut aussi améliorer la résistance à la corrosion remplacement, dans certains cas, du bronze par de l’acier traité.
atmosphérique, à celles de l’eau douce, des hydrocarbures et de
certains produits de combustion.
4.3.2.6 Traitements d’amélioration de la tenue
à la corrosion
4.3.2.4 Boruration ■ L’aluminisation vise à former en surface une couche d’alumi-
nium ou d’alliage d’aluminium en vue d’améliorer la résistance
à l’oxydation à chaud. On appelle calorisation une aluminisation
C’est un traitement thermochimique d’enrichissement superfi- suivie d’une opération de diffusion à chaud de l’aluminium vers
ciel en bore qui est réalisé en milieu (contenant du carbure de l’intérieur de la pièce.
bore) susceptible de céder cet élément à l’acier (grâce à un acti-
■ La chromisation (ne pas confondre avec le chromage électroly-
vateur, un fluoborate).
tique) est un enrichissement superficiel en chrome avec diffusion
vers l’intérieur. La couche chromisée contenant en surface 40 %
environ de chrome confère à l’acier une bonne résistance à la cor-
Le bore forme en surface des pièces des borures de fer Fe2B et rosion dans divers milieux.
FeB. Le composé visé est Fe2B moins fragile que FeB. La dureté
obtenue est de l’ordre de 2 000 HV ; c’est la plus élevée de toutes ■ La shérardisation est un traitement thermochimique d’enrichis-
celles réalisées par traitements thermochimiques de l’acier. De ce sement superficiel en zinc en vue d’améliorer la résistance à la cor-
fait, la boruration confère à l’acier une très grande résistance à rosion en atmosphères polluées.
l’usure, particulièrement par abrasion.
■ La siliciuration vise un enrichissement superficiel et une diffu-
La boruration présente toutefois le handicap de se pratiquer à sion de silicium. On réalise ainsi une couche très dure contenant
haute température entre 800 et 1 050 oC ; il est donc nécessaire 12 à 14 % de silicium et résistant à la corrosion par des acides non
d’effectuer ultérieurement un traitement de trempe et revenu pour oxydants, tels que les acides chlorhydrique et sulfurique, et à l’oxy-
donner aux pièces leurs caractéristiques d’emploi. dation à l’air, jusqu’à des températures de 875 oC.

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