01 Mécanismes de traitement thermique essentiels affectant la durée de vie des engrenages

• Résistance à la fatigue de contact de la surface des dents: Résistance à la piqûre (trous) et à l'écaillage sous contrainte de contact cyclique.
• Résistance à la fatigue en flexion de la racine des dents: Résistance à la fissuration et à la rupture par fatigue à la racine sous contrainte de flexion cyclique.
• Dureté de surface et résistance à l'usure: Capacité à résister à la perte de matière sur la surface des dents sous frottement glissant et roulant.
• Résistance et ténacité du cœur: Fournir un support solide pour la couche de surface dure afin d'éviter l'écrasement ou la rupture des dents sous de fortes charges.

1. Trempe et revenu (traitement de modulation)

• Processus: Trempe + revenu à haute température.
• Mécanisme: Cible principalement les propriétés du cœur des engrenages, produisant une structure de sorbite revenue qui équilibre une résistance élevée et une bonne ténacité. Un cœur solide et tenace agit comme la fondation d'un bâtiment, fournissant un support solide aux couches de durcissement de surface ultérieures. Une résistance du cœur insuffisante peut entraîner une déformation plastique de la couche de surface dure sous de fortes charges, provoquant des fissures ou des indentations en surface.
• Contribution à la durée de vie: Améliore la résistance et la ténacité globales des engrenages, en particulier la résistance à la fatigue en flexion de la racine des dents, permettant aux engrenages de résister à des charges d'impact importantes. Il s'agit généralement d'un prétraitement thermique (appliqué aux ébauches) pour les engrenages cémentés et nitrurés.

2. Durcissement de surface (par exemple, durcissement par induction, durcissement à la flamme)

• Processus: Chauffe rapidement la surface de l'engrenage à la température d'austénitisation, suivi d'un refroidissement rapide pour durcir la surface tout en conservant la structure et les propriétés d'origine du cœur.
• Mécanisme: Forme une couche de martensite à haute dureté sur la surface de l'engrenage, améliorant considérablement la dureté de surface et la résistance à l'usure. Le durcissement par induction est largement utilisé en raison de sa vitesse de chauffage rapide, de sa déformation minimale et de son rendement élevé.
• Contribution à la durée de vie:
  • Améliore considérablement la résistance à la fatigue de contact de la surface des dents et la résistance à l'usure, résistant efficacement à la piqûre et à l'usure.
  • Maintient la ténacité du cœur, permettant aux engrenages de résister aux impacts modérés.
   
• Limitation: Gradient de dureté raide avec concentration de contraintes à l'interface entre la couche durcie et le cœur, pouvant potentiellement provoquer l'écaillage de la couche durcie sous des charges extrêmement lourdes.

3. Cémentation et trempe

• Processus: Chauffe et maintient les engrenages en acier à faible teneur en carbone (par exemple, 20CrMnTi) dans un milieu riche en carbone pour diffuser les atomes de carbone dans la surface, suivi d'une trempe et d'un revenu à basse température.
• Mécanisme: Le processus de renforcement des engrenages le plus largement utilisé et le plus complet, réalisant la combinaison parfaite de "surface dure et cœur tenace" :
  • Couche de surface: Structure de martensite à haute teneur en carbone avec une dureté exceptionnelle (HRC 58-62), une résistance à l'usure et une résistance à la fatigue de contact.
  • Cœur: Structure de martensite ou de sorbite à faible teneur en carbone avec une résistance élevée et une bonne ténacité.
  • Une contrainte de compression résiduelle importante dans la couche de surface compense la contrainte de traction due aux charges externes, améliorant considérablement la résistance à la fatigue en flexion.
   
• Contribution à la durée de vie: Prolonge de manière exhaustive la durée de vie des engrenages, particulièrement adapté aux applications à forte charge, à fort impact et à frottement sévère (par exemple, boîtes de vitesses automobiles, engrenages d'essieu arrière). C'est l'un des processus les plus fiables pour assurer une longue durée de vie des engrenages.

4. Nitruration

• Processus: Chauffe les engrenages (500-580℃) dans un milieu riche en azote pour diffuser les atomes d'azote dans la surface, formant une couche de nitrure extrêmement dure.
• Mécanisme:
  • Dureté de surface ultra-élevée (HV 800-1200) avec une excellente résistance à l'usure et des performances anti-grippage.
  • Déformation thermique minimale due à la basse température de traitement et à l'absence de trempe.
  • Améliore la résistance à la fatigue et la résistance à la corrosion.
   
• Contribution à la durée de vie: Particulièrement adapté aux engrenages de précision, aux engrenages fonctionnant dans des conditions d'usure élevée, d'impact modéré et à ceux dans des environnements à haute température ou corrosifs.
• Limitation: La fine couche nitrurée (0,1-0,8 mm) entraîne une capacité de charge inférieure à celle des engrenages cémentés, avec une faible résistance aux chocs.

5. Carbonitruration

• Processus: Diffuse simultanément les atomes de carbone et d'azote, combinant les avantages de la cémentation et de la nitruration.
• Mécanisme: Intègre les avantages des deux processus : une résistance à l'usure et une résistance à la fatigue supérieures à celles de la cémentation, une température de traitement inférieure avec une déformation minimale ; une couche de diffusion plus profonde et une meilleure capacité de charge que la nitruration.
• Contribution à la durée de vie: Une excellente alternative à la cémentation, en particulier pour les engrenages en acier à faible et moyenne teneur en carbone soumis à des charges modérées nécessitant une résistance à l'usure, une résistance à la fatigue et une déformation contrôlée.