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Comment les ressorts sont-ils traités thermiquement ? Revenu et relaxation des contraintes expliqués

Les ressorts sont traités thermiquement selon deux procédés distincts : la relaxation des contraintes, effectuée après bobinage ou formage à froid à des températures comprises entre 260 °C et 430 °C (500 °F à 800 °F) pour éliminer les contraintes résiduelles, et le revenu, effectué après la trempe (durcissement) à des températures comprises entre 315 °C et 540 °C (600 °F à 1000 °F) pour restaurer la ductilité et fixer les propriétés mécaniques finales. Le cycle spécifique dépend de l'alliage, de la dureté requise, et du fait que le ressort soit en fil pré-trempé ou en fil huilé revenu. Pour la plupart des ressorts formés à froid en fil étiré dur ou en fil huilé revenu, seule une relaxation des contraintes à basse température est nécessaire ; pour les ressorts bobinés à chaud ou les ressorts haute performance, une trempe et un revenu complets sont obligatoires.

Quelle est la différence entre le revenu et la relaxation des contraintes pour les ressorts ?

La relaxation des contraintes est un traitement thermique à basse température (260 °C à 430 °C) appliqué aux ressorts formés à froid pour éliminer les contraintes internes introduites lors du bobinage, du cintrage ou du meulage. Elle ne modifie pas de manière significative la microstructure ou la dureté du fil ; son but est purement de stabiliser la géométrie et d'éviter la déformation ou la rupture prématurée. Le revenu, en revanche, est un procédé à plus haute température appliqué après l'austénitisation et la trempe, où l'acier à ressort est chauffé à 315 °C à 540 °C pour transformer la martensite fragile en martensite revenue, échangeant une partie de la dureté contre de la ténacité et de la résistance à la fatigue.

Pour les ressorts fabriqués à partir de fil pré-trempé (par exemple, le chrome-silicium huilé revenu), la relaxation des contraintes est la seule opération thermique nécessaire, effectuée à une température de 50 °C à 100 °C en dessous de la température de revenu d'origine du fil pour éviter tout adoucissement. Pour les ressorts fabriqués à partir de fil recuit (par exemple, 5160 ou 1075), un traitement thermique complet est requis : austénitisation à 830 °C à 870 °C, trempe à l'huile, puis revenu. Le choix est dicté par la spécification du fil et la charge de service du ressort.

Quelles températures et quels temps sont utilisés pour le traitement thermique des ressorts ?

Le temps et la température sont étroitement liés ; l'objectif est d'atteindre la dureté cible (généralement 42 à 52 HRC pour la plupart des ressorts de compression) sans décarburation ni croissance du grain. Les cycles de relaxation des contraintes durent de 20 à 60 minutes, tandis que les cycles de revenu durent de 1 à 2 heures. Le tableau ci-dessous répertorie les paramètres standard pour les matériaux de ressorts courants.

Pour la relaxation des contraintes, la règle est de 1 heure par 25 mm de diamètre de fil, mais jamais moins de 20 minutes. Pour le revenu, le temps de maintien doit être suffisant pour égaliser la température à travers la section transversale ; un fil de 10 mm nécessite au moins 45 minutes à la température de revenu.

Comment le traitement thermique affecte-t-il la durée de vie en fatigue et la capacité de charge des ressorts ?

La durée de vie en fatigue est directement proportionnelle à l'état des contraintes résiduelles et à la dureté de surface. Une relaxation des contraintes appropriée augmente la durée de vie en fatigue de 20 % à 40 % par rapport aux ressorts non traités, car elle élimine les sites d'initiation de microfissures causés par les contraintes résiduelles de traction en surface. Un revenu à la bonne température maximise la limite d'endurance ; pour le fil en chrome-silicium, un revenu à 425 °C donne une limite de fatigue d'environ 700 MPa à 10^7 cycles, contre seulement 450 MPa pour la martensite non revenue.

La capacité de charge (raideur du ressort) n'est pas modifiée par le traitement thermique car elle dépend de la géométrie et du module de cisaillement, et non de la dureté. Cependant, la déflexion et la charge maximales admissibles avant déformation permanente sont augmentées de 15 % à 25 % après le revenu, car la limite d'élasticité en torsion passe d'environ 60 % de la résistance à la traction à l'état trempé à 75 % à 85 % après un revenu approprié. Un sur-revenu (au-dessus de 540 °C) réduit la dureté en dessous de 40 HRC et doit être évité pour les applications dynamiques.

Quels matériaux de ressorts nécessitent une trempe et un revenu complets ?

Une trempe et un revenu complets sont nécessaires pour les ressorts bobinés à chaud fabriqués à partir d'aciers au carbone ou alliés recuits, y compris AISI 1065, 1075, 1095, 5160, 6150 et 9260. Ces matériaux arrivent dans un état recuit, sphéroïdisé et mou pour la formabilité ; après le bobinage à 900 °C à 1000 °C, ils doivent être austénitisés, trempés à l'huile (ou dans un polymère de trempe), et revenus pour atteindre la résistance souhaitée. Les ressorts d'un diamètre de fil supérieur à 12 mm sont presque toujours bobinés à chaud et entièrement traités thermiquement car le formage à froid est impraticable.

Les fils pré-trempés, tels que le chrome-vanadium huilé revenu (ASTM A231), le chrome-silicium huilé revenu (ASTM A401) et le fil dur MB (ASTM A227), ne nécessitent pas d'austénitisation. Ils sont bobinés à froid puis uniquement soumis à une relaxation des contraintes. Les ressorts en acier inoxydable (302, 316, 17-7 PH) sont également bobinés à froid et soumis à une relaxation des contraintes ; le 17-7 PH peut nécessiter un durcissement par précipitation à 480 °C pendant 1 heure, ce qui constitue un troisième procédé distinct.

Pourquoi le contrôle de la décarburation est-il critique pendant le traitement thermique des ressorts ?

La décarburation est la perte de carbone de la couche superficielle de l'acier à ressort, ce qui réduit la dureté de surface et crée une peau molle qui diminue considérablement la résistance à la fatigue. Une couche décarburée de seulement 0,1 mm sur un fil de 5 mm peut réduire la durée de vie en fatigue de 50 % ou plus. Pendant l'austénitisation à 830 °C à 870 °C, l'atmosphère du four doit être contrôlée pour avoir un potentiel carbone égal à la teneur en carbone de l'acier ; cela est obtenu en utilisant un gaz endothermique avec contrôle du point de rosée (0 °C à 5 °C) ou des fours sous vide pour les ressorts de précision.

Pour la relaxation des contraintes à 260 °C à 430 °C, la décarburation n'est pas un risque car les températures sont trop basses pour la diffusion du carbone. Cependant, si la relaxation des contraintes est effectuée dans une atmosphère non inerte et que le ressort a été préalablement trempé, il existe un risque de fragilité bleue si les températures dépassent 430 °C. La profondeur de décarburation acceptable selon ASTM A125 est de 0,05 mm maximum pour les ressorts d'un diamètre de fil inférieur à 10 mm, et la vérification est effectuée par des tests de microdureté ou une inspection métallographique.

Comment vérifier la qualité du traitement thermique des ressorts ?

La vérification implique trois tests : un test de dureté sur la surface et la section transversale (échelle Rockwell C), un examen microstructural pour la martensite revenue (aucune martensite non revenue autorisée), et un test de charge-déflexion à température ambiante. La dureté doit être mesurée à au moins 10 mm de l'extrémité du ressort pour éviter les effets de spire d'extrémité ; les critères d'acceptation typiques sont de ±3 HRC par rapport à la valeur spécifiée. Pour les ressorts critiques, un test de charge d'épreuve à 110 % de la charge de conception maximale est effectué, et le ressort ne doit montrer aucune déformation permanente après 24 heures.

De plus, une inspection par particules magnétiques ou un contrôle par courants de Foucault est effectué sur 100 % des ressorts utilisés dans les applications automobiles ou aérospatiales pour détecter les fissures de surface provenant de la trempe. Un bain de sel ou un procédé sous vide est préféré aux fours à atmosphère pour les ressorts d'un diamètre de fil inférieur à 3 mm, car le chauffage rapide dans un bain de sel minimise la distorsion. La documentation doit inclure le graphique réel temps-température et le certificat d'étalonnage du four.

Les ressorts peuvent-ils être traités thermiquement après le grenaillage de précontrainte ?

Le grenaillage de précontrainte est toujours effectué après le traitement thermique, jamais avant. La séquence est la suivante : traitement thermique (relaxation des contraintes ou trempe-revenu) → grenaillage de précontrainte (si spécifié) → relaxation des contraintes facultative à basse température à 150 °C à 200 °C pendant 30 minutes pour éliminer les micro-contraintes induites par le grenaillage. Certaines spécifications exigent une deuxième étape de revenu après le grenaillage de précontrainte lorsque l'intensité de grenaillage est élevée (intensité Almen supérieure à 0,020 A), mais cela est rare et doit être approuvé par l'ingénieur concepteur.

La raison est que le grenaillage de précontrainte introduit des contraintes résiduelles de compression de 600 à 1000 MPa sur la surface, ce qui est bénéfique pour la fatigue. Si le ressort était traité thermiquement après le grenaillage, ces contraintes seraient éliminées par recuit et l'effet du grenaillage serait perdu. Pour les ressorts avec une opération de pré-déformation (compression à la hauteur à spires jointives), la pré-déformation est également effectuée après le traitement thermique, à température ambiante.

Quels sont les défauts courants du traitement thermique et comment sont-ils évités ?

Les trois défauts les plus courants sont la fissuration de trempe, les points mous et la distorsion excessive. La fissuration de trempe se produit lorsque la vitesse de refroidissement est trop rapide ou que le diamètre du fil dépasse la limite de trempabilité ; la prévention nécessite l'utilisation d'huile avec la sévérité de trempe correcte (GMG 204) et le report de la trempe jusqu'à ce que le ressort atteigne 650 °C à 700 °C pendant le refroidissement. Les points mous sont causés par un chauffage non uniforme ou une décarburation ; la prévention nécessite une atmosphère de four contrôlée et un temps de maintien suffisant.

La distorsion est minimisée en utilisant des supports ou des mandrins pendant le traitement thermique, en particulier pour les ressorts de compression longs (rapport longueur/diamètre supérieur à 4). Pour les ressorts avec une tolérance de longueur libre de ±1 %, le traitement thermique doit être suivi d'une opération de pré-déformation à chaud à 25 °C en dessous de la température de revenu pendant 30 minutes sous charge. Si la distorsion dépasse 0,5 % de la longueur libre, un redressage est nécessaire, mais cela doit être évité car cela introduit des contraintes résiduelles.

FAQ

Combien de temps prend le traitement thermique des ressorts ?

Un cycle typique de relaxation des contraintes prend 30 à 60 minutes au total, y compris la montée en température du four, le maintien et le refroidissement. Une trempe et un revenu complets prennent 2 à 4 heures par lot, y compris l'austénitisation (30 minutes), la trempe (5 minutes) et le revenu (60 à 90 minutes). Pour la production à grand volume, les fours à bande continue traitent les ressorts en 20 à 40 minutes par pièce.

Quelle est la dureté maximale atteignable après le traitement thermique des ressorts ?

Pour les ressorts en acier au carbone, la dureté pratique maximale est de 55 HRC après la trempe, mais un revenu est toujours appliqué pour la réduire à 42 à 52 HRC pour la ténacité. Les alliages de chrome-silicium peuvent atteindre 54 HRC, tandis que l'inox 302 plafonne généralement à 42 HRC. Une dureté supérieure à 55 HRC est évitée car elle provoque une rupture fragile sous charge cyclique.

Les ressorts en acier inoxydable peuvent-ils être traités thermiquement comme l'acier au carbone ?

Non. L'inox austénitique (302, 316) ne peut pas être durci par trempe et revenu ; il est uniquement soumis à une relaxation des contraintes à 315 °C à 370 °C. Les nuances à durcissement par précipitation (17-7 PH) nécessitent un cycle spécial de vieillissement à 480 °C pendant 1 heure. L'inox martensitique (410, 420) peut être trempé et revenu mais est rarement utilisé pour les ressorts en raison de ses mauvaises propriétés de fatigue.

Quelle est la différence de coût entre la relaxation des contraintes et le traitement thermique complet ?

La relaxation des contraintes coûte environ 0,05 à 0,15 USD par kilogramme de poids de ressort, selon la taille du lot. La trempe et le revenu complets coûtent 0,20 à 0,40 USD par kilogramme en raison de l'étape supplémentaire d'austénitisation, du fluide de trempe et du contrôle plus strict de l'atmosphère. Pour un ressort de compression typique de 50 g, cela ajoute 0,01 à 0,02 USD par pièce.

Quand un ressort doit-il être bobiné à chaud plutôt qu'enroulé à froid ?

Le bobinage à chaud est utilisé lorsque le diamètre du fil dépasse 12 mm, lorsque l'indice de ressort (D/d) est inférieur à 4, ou lorsque le matériau est un acier allié recuit. La règle empirique est que si la force de formage requise dépasse 50 % de la résistance à la traction ultime du fil, le bobinage à chaud est nécessaire. Les ressorts bobinés à chaud nécessitent toujours une trempe et un revenu complets.

Comment le traitement thermique affecte-t-il les dimensions des ressorts ?

La relaxation des contraintes provoque un léger changement dimensionnel de 0,1 % à 0,3 % dans la longueur libre et le diamètre extérieur en raison de la relaxation des contraintes résiduelles. Pour compenser, les ressorts sont souvent bobinés avec une surdimension de 0,5 % à 1 % puis ajustés après le traitement thermique. Une trempe et un revenu complets peuvent provoquer une distorsion de 1 % à 2 % dans les ressorts longs, nécessitant un redressage ou une pré-déformation à chaud.

Le traitement thermique sous vide est-il meilleur que les fours à atmosphère pour les ressorts ?

Le traitement thermique sous vide offre une décarburation nulle et des surfaces plus propres, ce qui le rend supérieur pour les ressorts au-dessus de 40 HRC ou pour les applications aérospatiales. Cependant, il coûte 3 à 5 fois plus cher par lot que les fours à atmosphère. Pour les ressorts industriels standard, les fours à atmosphère avec contrôle du point de rosée sont suffisants et plus économiques.

Pour le traitement thermique de précision des ressorts avec une traçabilité complète et un contrôle de lot, BQUQ propose des services de relaxation des contraintes et de revenu pour les ressorts d'un diamètre de fil de 0,1 mm à 30 mm. Nos fours sont étalonnés selon les normes AMS 2750E, et nous fournissons des rapports de microdureté et de test de fatigue avec chaque lot. Nous pouvons fournir un devis de traitement thermique et un délai de production sous 12 heures après réception de votre plan ou échantillon de ressort. Contactez-nous à sc@bquq.com, WhatsApp +86 13713157787, ou visitez www.bquq.com.

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