Procédé de trempe des chaînes à rouleaux : un élément essentiel déterminant la fiabilité de la transmission

Procédé de trempe des chaînes à rouleaux : un élément essentiel déterminant la fiabilité de la transmission

Dans le secteur de la transmission industrielle,chaînes à rouleauxLes chaînes à rouleaux sont des composants essentiels à la transmission de puissance et de mouvement, et leurs performances influent directement sur l'efficacité et la sécurité de l'ensemble de la machine. De la transmission robuste des engins miniers à l'entraînement précis des machines-outils de précision, des opérations sur le terrain des machines agricoles à la transmission de puissance des moteurs automobiles, les chaînes à rouleaux jouent invariablement le rôle de « pont de puissance ». Dans la fabrication des chaînes à rouleaux, le revenu, étape cruciale du traitement thermique, est comparable à l'étape qui « transforme la pierre en or », déterminant directement la résistance, la ténacité, la résistance à l'usure et la durée de vie de la chaîne.

1. Pourquoi le trempage est-il un « cours obligatoire » dans la fabrication des chaînes à rouleaux ?

Avant d'aborder le processus de revenu, il convient de préciser pourquoi le revenu d'une chaîne à rouleaux est essentiel. Ce processus débute dès la fabrication des composants principaux de la chaîne : rouleaux, bagues, axes et plaques de liaison. Après leur mise en forme, ces composants subissent généralement une trempe : la pièce est chauffée au-dessus de la température critique (généralement entre 820 et 860 °C), maintenue à cette température pendant un certain temps, puis refroidie rapidement (par exemple, dans l'eau ou l'huile) afin de transformer la structure interne du métal en martensite. Si la trempe augmente considérablement la dureté de la pièce (atteignant HRC 58-62), elle présente également un inconvénient majeur : des contraintes internes extrêmement élevées et une fragilité accrue, la rendant susceptible de se rompre sous l'effet de chocs ou de vibrations. Imaginez utiliser une chaîne à rouleaux trempée directement pour la transmission. Des défaillances telles que la rupture d'axes et la fissuration de rouleaux pourraient survenir dès la première mise en charge, avec des conséquences désastreuses.

Le revenu permet de remédier au problème de la fragilité inhérente à la trempe. La pièce trempée est réchauffée à une température inférieure à la température critique (généralement entre 150 et 350 °C), maintenue à cette température pendant un certain temps, puis refroidie lentement. Ce procédé ajuste la structure interne du métal afin d'obtenir un équilibre optimal entre dureté et ténacité. Pour les chaînes à rouleaux, le revenu joue un rôle essentiel dans trois domaines clés :

Soulager les contraintes internes : Libère les contraintes structurelles et thermiques générées lors de la trempe, empêchant la déformation et la fissuration de la pièce dues à la concentration des contraintes pendant l'utilisation ;

Optimiser les propriétés mécaniques : Ajuster le rapport entre dureté, résistance et ténacité en fonction des exigences de l’application ; par exemple, les chaînes pour engins de chantier nécessitent une ténacité plus élevée, tandis que les chaînes de transmission de précision nécessitent une dureté plus élevée ;

Stabiliser la microstructure et les dimensions : Stabiliser la microstructure interne du métal pour éviter toute déformation dimensionnelle de la chaîne causée par des changements de microstructure pendant l'utilisation, ce qui pourrait affecter la précision de la transmission.

II. Paramètres principaux et points de contrôle du processus de trempe des chaînes à rouleaux

L'efficacité du traitement thermique repose sur la maîtrise précise de trois paramètres essentiels : la température, la durée et la vitesse de refroidissement. Différentes combinaisons de ces paramètres peuvent engendrer des performances très différentes. Le traitement thermique doit être adapté aux différents composants de la chaîne à rouleaux (rouleaux, bagues, axes et plaques) en raison de leurs caractéristiques de charge et exigences de performance variables.

1. Température de trempe : Le « bouton principal » pour le contrôle des performances
La température de revenu est le facteur le plus critique pour déterminer les performances finales d'une pièce. Plus la température augmente, plus la dureté de la pièce diminue et sa ténacité augmente. Selon l'application de la chaîne à rouleaux, les températures de revenu sont généralement classées comme suit :
Revenu à basse température (150-250 °C) : principalement utilisé pour les composants exigeant une dureté et une résistance à l’usure élevées, tels que les rouleaux et les bagues. Le revenu à basse température maintient une dureté de la pièce de 55 à 60 HRC tout en éliminant certaines contraintes internes, ce qui le rend adapté aux applications de transmission à haute fréquence et à faible impact (comme les entraînements de broches de machines-outils).
Revenu à moyenne température (300-450 °C) : Convient aux composants exigeant une résistance et une élasticité élevées, tels que les axes et les plaques de chaîne. Après revenu à moyenne température, la dureté de la pièce chute à HRC 35-45, améliorant considérablement sa limite d’élasticité et lui permettant de résister à des chocs importants (par exemple, dans les engins de chantier et les équipements miniers).
Revenu à haute température (500-650 °C) : rarement utilisé pour les composants principaux des chaînes à rouleaux, il est réservé à des applications spécifiques pour les composants auxiliaires exigeant une ténacité élevée. À cette température, la dureté est encore réduite (HRC 25-35), mais la résilience est nettement améliorée.
Points de contrôle clés : L’uniformité de la température au sein du four de revenu est cruciale, les écarts de température étant limités à ±5 °C. Des températures non uniformes peuvent engendrer des variations importantes de performance au sein d’un même lot de pièces. Par exemple, des températures localisées excessivement élevées sur les rouleaux peuvent créer des zones de fragilité, réduisant ainsi leur résistance à l’usure. Des températures trop basses peuvent, à l’inverse, ne pas éliminer complètement les contraintes internes, ce qui peut provoquer des fissures.

2. Temps de trempe : une « condition suffisante » pour la transformation microstructurale
La durée du revenu doit garantir une transformation microstructurale suffisante au sein de la pièce, tout en évitant une dégradation des performances due à un revenu excessif. Une durée trop courte empêche la relaxation complète des contraintes internes, ce qui entraîne une transformation microstructurale incomplète et une ténacité insuffisante. Une durée trop longue augmente les coûts de production et peut également conduire à une réduction excessive de la dureté. La durée du revenu des composants de chaînes à rouleaux est généralement déterminée par l'épaisseur de la pièce et la charge du four.
Composants à parois minces (tels que les plaques de chaîne, de 3 à 8 mm d'épaisseur) : le temps de trempe est généralement de 1 à 2 heures ;
Composants à parois épaisses (tels que rouleaux et broches, diamètre de 10 à 30 mm) : le temps de trempe doit être prolongé à 2 à 4 heures ;
Pour les charges de four plus importantes, le temps de revenu doit être augmenté de 10 à 20 % afin d'assurer un transfert de chaleur uniforme jusqu'au cœur de la pièce.
Points clés de contrôle : L’utilisation d’une méthode de « rampe de température par paliers » permet d’optimiser l’efficacité du revenu : commencez par augmenter la température du four à 80 % de la température cible, maintenez-la pendant 30 minutes, puis augmentez-la jusqu’à la température cible afin d’éviter de nouvelles contraintes thermiques dans la pièce dues à des augmentations rapides de température.

3. Vitesse de refroidissement : le « dernier rempart » pour des performances stables
La vitesse de refroidissement après revenu a un impact relativement faible sur les performances de la pièce, mais elle doit néanmoins être correctement maîtrisée. On utilise généralement le refroidissement à l'air (refroidissement naturel) ou le refroidissement au four.

Après un revenu à basse température, un refroidissement à l'air est généralement utilisé pour abaisser rapidement la température à température ambiante et éviter une exposition prolongée à des températures moyennes, ce qui peut entraîner une perte de dureté.

Si une ténacité supérieure est requise après un revenu à température moyenne, un refroidissement au four peut être effectué. Ce refroidissement lent affine davantage la taille des grains et améliore la résistance aux chocs.

Points clés de contrôle : Lors du refroidissement, il est important d’éviter un contact irrégulier entre la surface de la pièce et l’air, ce qui pourrait entraîner une oxydation ou une décarburation. Des gaz protecteurs tels que l’azote peuvent être introduits dans le four de revenu, ou des revêtements anti-oxydation peuvent être appliqués sur la surface de la pièce afin de garantir sa qualité.

III. Problèmes et solutions courants liés au trempage des chaînes à rouleaux

Même si les paramètres de base sont bien compris, des problèmes de qualité lors du revenu peuvent survenir en production, en raison de facteurs tels que l'équipement, le processus ou les matériaux. Voici les quatre problèmes les plus courants rencontrés lors du revenu des chaînes à rouleaux et leurs solutions :

1. Dureté insuffisante ou irrégulière

Symptômes : La dureté de la pièce est inférieure aux exigences de conception (par exemple, la dureté du rouleau n’atteint pas HRC 55), ou la différence de dureté entre différentes parties de la même pièce dépasse HRC 3. Causes :
La température de trempe est trop élevée ou le temps de maintien est trop long ;
La répartition de la température du four de trempe est inégale ;
La vitesse de refroidissement de la pièce après trempe est insuffisante, ce qui entraîne une formation incomplète de martensite.
Solutions :
Calibrer le thermocouple du four de revenu, surveiller régulièrement la répartition de la température à l'intérieur du four et remplacer les tubes chauffants vieillissants ;
Contrôler strictement la température et le temps conformément à la fiche de processus et utiliser un maintien par étapes ;
Optimiser le processus de trempe et de refroidissement afin d'assurer un refroidissement rapide et uniforme de la pièce.

2. Les contraintes internes ne sont pas éliminées, ce qui entraîne des fissures pendant l'utilisation.
Symptômes : Lors de la première installation et utilisation de la chaîne, l’axe ou la plaque de la chaîne peut se casser sans prévenir, avec une fracture fragile.
Causes :
La température de trempe est trop basse ou le temps de maintien trop court, ce qui entraîne une libération insuffisante des contraintes internes ;
La pièce n'est pas revenue rapidement après la trempe (pendant plus de 24 heures), ce qui entraîne une accumulation de contraintes internes. Solution :
Augmenter de manière appropriée la température de revenu en fonction de l'épaisseur de la pièce (par exemple, de 300 °C à 320 °C pour les broches) et prolonger le temps de maintien.
Après trempe, la pièce doit être revenue dans les 4 heures afin d'éviter une accumulation prolongée de contraintes.
Utilisez un processus de « revenu secondaire » pour les composants clés (après le revenu initial, laissez refroidir à température ambiante puis effectuez un nouveau revenu à des températures élevées) afin d'éliminer davantage les contraintes résiduelles.

3. Oxydation et décarburation de surface

Symptômes : Une couche d'oxyde gris-noir apparaît à la surface de la pièce, ou un testeur de dureté indique que la dureté de la surface est inférieure à la dureté du noyau (la couche de décarburation a une épaisseur supérieure à 0,1 mm).
Cause:
Une teneur en air excessive dans le four de revenu provoque une réaction entre la pièce et l'oxygène.
Un temps de revenu excessif entraîne la diffusion et la dissipation du carbone en surface. Solution : utiliser un four de revenu étanche sous atmosphère protectrice d’azote ou d’hydrogène afin de maintenir la teneur en oxygène en dessous de 0,5 %. Réduire les temps de revenu inutiles et optimiser le chargement du four pour éviter le sur-empilement des pièces. Pour les pièces légèrement oxydées, effectuer un grenaillage après revenu afin d’éliminer la calamine.

4. Déformation dimensionnelle

Symptômes : Ovalisation excessive des rouleaux (supérieure à 0,05 mm) ou trous de plaque de chaîne mal alignés.

Cause : Des vitesses de chauffage ou de refroidissement excessivement rapides lors du revenu génèrent des contraintes thermiques qui entraînent une déformation.

Un mauvais positionnement des pièces lors du chargement du four entraîne des contraintes inégales.

Solution : Utiliser un chauffage lent (50 °C/heure) et un refroidissement lent pour réduire les contraintes thermiques.

Concevoir des dispositifs de fixation spécialisés pour garantir que la pièce reste libre pendant le revenu afin d'éviter toute déformation par compression.

Pour les pièces de haute précision, ajoutez une étape de redressage après le revenu, en utilisant le redressage sous pression ou le traitement thermique pour corriger les dimensions.

IV. Contrôle de la qualité et critères d'acceptation du processus de trempe

Pour garantir que les composants de la chaîne à rouleaux répondent aux exigences de performance après trempe, un système complet d'inspection de la qualité doit être mis en place, effectuant des inspections complètes selon quatre dimensions : l'apparence, la dureté, les propriétés mécaniques et la microstructure.

1. Inspection visuelle

Éléments inspectés : Défauts de surface tels que calamine, fissures et bosses.

Méthode d'inspection : Inspection visuelle ou inspection à la loupe (grossissement 10x).

Critères d'acceptation : Absence de calamine, de fissures ou de bavures visibles en surface, et couleur uniforme.

2. Contrôle de dureté

Contenu de l'inspection : Dureté de surface et uniformité de la dureté.

Méthode d'inspection : Utiliser un duromètre Rockwell (HRC) pour tester la dureté superficielle des rouleaux et des axes. Un échantillon aléatoire de 5 % des pièces de chaque lot est prélevé, et trois points différents sont inspectés sur chaque pièce.

Critères d'acceptation :

Rouleaux et bagues : HRC 55-60, avec une différence de dureté ≤ HRC3 au sein du même lot.

Plaque de goupille et de chaîne : dureté Rockwell C 35-45, avec une différence de dureté ≤ HRC2 au sein d’un même lot. 3. Essais des propriétés mécaniques

Contenu du test : résistance à la traction, ténacité à l’impact ;

Méthode d'essai : Des spécimens standard sont préparés à partir d'un lot de pièces chaque trimestre pour les essais de traction (GB/T 228.1) et les essais d'impact (GB/T 229) ;

Critères d'acceptation :

Résistance à la traction : Goupilles ≥ 800 MPa, Chaînes ≥ 600 MPa ;

Résistance aux chocs : Goupilles ≥ 30 J/cm², Chaînes ≥ 25 J/cm².

4. Essais de microstructure

Contenu du test : La structure interne est composée de martensite revenue uniforme et de bainite revenue ;

Méthode d'essai : Des sections transversales de la pièce sont coupées, polies et attaquées chimiquement, puis observées à l'aide d'un microscope métallographique (grossissement 400x) ;

Critères d'acceptation : Structure uniforme sans carbures de réseau ni grains grossiers, et une épaisseur de couche décarburée ≤ 0,05 mm.

V. Tendances industrielles : Orientation du développement des procédés de trempe intelligents

Avec la généralisation des technologies de l'Industrie 4.0, les procédés de trempe des chaînes à rouleaux évoluent vers des processus intelligents, précis et écologiques. Voici trois tendances clés à retenir :

1. Système de contrôle intelligent de la température

Grâce à l'Internet des objets (IoT), plusieurs thermocouples et capteurs de température infrarouges de haute précision sont placés à l'intérieur du four de revenu afin de collecter des données de température en temps réel. Des algorithmes d'intelligence artificielle ajustent automatiquement la puissance de chauffage pour garantir une précision de contrôle de la température de ±2 °C. De plus, le système enregistre la courbe de revenu pour chaque lot de pièces, assurant ainsi une traçabilité complète de la qualité.

2. Simulation de processus numérique

L'utilisation d'un logiciel d'analyse par éléments finis (tel qu'ANSYS) permet de simuler les champs de température et de contrainte de la pièce pendant le revenu afin de prédire les déformations potentielles et les performances irrégulières, optimisant ainsi les paramètres du processus. Par exemple, la simulation peut déterminer le temps de revenu optimal pour un modèle de rouleau spécifique, augmentant ainsi l'efficacité de 30 % par rapport aux méthodes traditionnelles par essais et erreurs.
3. Procédés écologiques et économes en énergie

Le développement d'une technologie de revenu à basse température et de courte durée permet de réduire la température de revenu et la consommation d'énergie grâce à l'ajout d'un catalyseur. La mise en œuvre d'un système de récupération de chaleur résiduelle permet de recycler la chaleur des gaz de combustion à haute température émis par le four de revenu pour le préchauffage des pièces, ce qui représente des économies d'énergie supérieures à 20 %. Par ailleurs, la promotion de l'utilisation de revêtements anti-oxydants hydrosolubles en remplacement des revêtements traditionnels à base d'huile contribue à réduire les émissions de COV.