Arbre-pignon en 42CrMo4 livré à 240 HB : retraiter, remplacer ou accepter ?
Un réducteur équipant un convoyeur revient en garantie après 800 heures : on observe des piqûres sur les dentures du pignon et une usure adhésive sur la portée du roulement. Le plan impose un arbre-pignon en 42CrMo4 livré bonifié, dureté 280-320 HB, résistance à la traction au cœur Rm ≥ 1 000 MPa. Le sous-traitant a réalisé l'austénitisation à 850 °C, une trempe à l'huile en bain agité, puis un revenu de 2 heures. Les mesures de réception donnent 240 HB en trois points et la métallographie révèle une structure bainitique sur toute la section. Les pièces ont été empilées en charges serrées dans le panier de trempe. Un échange technique est organisé avec le fournisseur pour décider s'il faut retraiter, remplacer ou accepter, et pour choisir un traitement de surface capable de retarder la piqûre sur ce type de denture, sans dépasser l'épaisseur de surépaisseur de rectification disponible (0,30 mm).
1. Décoder la désignation 42CrMo4, définir la « bonification » et expliquer techniquement l'écart de dureté constaté (240 HB, structure bainitique).
Read the worked answer
1. Désignation 42CrMo4 (EN 10083, ancienne notation 42CD4) : 0,42 % de carbone ; chrome, avec le multiplicateur 4 devant la teneur moyenne, soit environ 1 % Cr ; molybdène en teneur faible non chiffrée (≈ 0,15-0,25 %). C'est un acier de construction allié pour trempe et revenu, à bonne trempabilité (le Mo retarde la transformation perlitique et limite la fragilité au revenu).
2. Bonification = austénitisation, trempe (martensite), puis revenu à haute température (typiquement 550-650 °C). On obtient une martensite revenue (sorbité) : compromis résistance/ténacité, pas une dureté maximale.
3. Origine de l'écart : la structure bainitique prouve que la vitesse de refroidissement réelle est restée inférieure à la vitesse critique de trempe au cœur de la pièce. Les pièces empilées en charges serrées forment une masse thermique : l'huile n'atteint pas les surfaces internes, la chaleur est évacuée lentement, la transformation se fait dans le domaine bainitique avant d'atteindre Ms. Ensuite, le revenu ne peut pas « rattraper » : on revient une bainite, pas une martensite, et 240 HB est cohérent avec cet écart.
4. Conséquence sur le cahier des charges : Rm ≈ 3,4 × HB → 240 HB ≈ 820 MPa, très en dessous des 1 000 MPa exigés ; 280-320 HB correspondrait à 950-1 090 MPa. Il manque à la fois la résistance et la ténacité, d'où la piqûre accélérée et l'usure adhésive observées.
2. Comparer les options retraiter / remplacer / accepter et proposer une décision argumentée, sachant qu'il reste 0,30 mm de surépaisseur de rectification.
Read the worked answer
Option A - accepter en l'état : exclue. 240 HB au lieu de 280-320 HB est une non-conformité sur une caractéristique de sécurité fonctionnelle ; de plus la bainite dégrade la ténacité. L'accepter revient à transférer le risque au client, qui a déjà eu une défaillance à 800 h.
Option B - remplacer le lot : sûr techniquement, mais coûteux en délai et en usinage (les pièces sont déjà aux cotes, avec 0,30 mm de surépaisseur seulement). À réserver aux pièces dont la déformation après retraitement dépasserait la surépaisseur.
Option C - retraiter : réalisable. 42CrMo4 est un acier à trempe traversante ; une nouvelle austénitisation à 850 °C, une trempe à l'huile avec chargement monopièce ou sur tapis, agitation réelle et huile à 50-60 °C, puis un revenu adapté pour viser 300 HB, permettent de retrouver la structure attendue. Points de vigilance : déformations (0,30 mm disponible → il faudra contrôler après traitement et rectifier les portées de roulement), oxydation/décarburation (usiner une passe de 0,10-0,15 mm ou protéger sous atmosphère), risque de tapures sur une pièce déjà usinée (éviter les angles vifs, prévoir un revenu après trempe avant rectification).
Décision proposée : retraiter un lot pilote de 3 pièces, contrôler dureté (3 points) et métallographie + essai de traction sur une éprouvette usinée dans une pièce sacrifiée pour vérifier Rm ≥ 1 000 MPa, mesurer les déformations. Si les 3 pièces passent, retraiter le lot ; sinon remplacer. Dans les deux cas, imposer au sous-traitant un mode opératoire de chargement et un contrôle de trempabilité (courbe Jominy, distance correspondant à la section).
3. Choisir entre nitruration et trempe superficielle par induction pour retarder la piqûre de denture, en tenant compte des 0,30 mm de surépaisseur et de la finition déjà réalisée.
Read the worked answer
Critères de choix : dureté de surface visée, épaisseur de la couche, déformation, possibilité de rectifier après traitement, état de cœur.
Nitruration (gazeuse ou ionique, 500-560 °C)
- Dureté de surface 600-750 HV (≈ 55 HRC), couche de combinaison + zone de diffusion 0,3-0,5 mm.
- Très faible déformation (traitement sous la température de revenu si le revenu est fait à température supérieure) → pas de rectification nécessaire après traitement.
- Contraintes résiduelles de compression en surface : excellent contre la piqûre par fatigue de contact.
- Limites : la couche est mince, donc le cœur doit être conforme (les 280-320 HB sont indispensables : sans cœur résistant, la couche poinçonne). Le 42CrMo4 nitrure correctement (Cr, Mo) mais moins bien qu'un acier dédié type 34CrAlNi7. Il faut finir l'usinage/rectification avant nitruration.
Trempe par induction
- 52-58 HRC sur 2-4 mm de profondeur, excellente résistance à la piqûre, mais déformation notable → rectification obligatoire après traitement, ce qui consomme les 0,30 mm de surépaisseur (et il faut aussi une surépaisseur sur les flancs de dent, difficile à obtenir sur une denture déjà taillée).
- Le chauffage sélectif des flancs de denture est délicat à maîtriser (effet de pointe, revenu auto).
Décision : retenir la nitruration dans ce contexte - denture déjà finie, surépaisseur faible (0,30 mm), besoin de limiter la déformation - après avoir remis le cœur en conformité (retraitement à 280-320 HB). Si l'atelier dispose d'une rectification denture et d'une surépaisseur suffisante, la trempe par induction est une alternative acceptable, mais elle impose alors de retailler le processus d'usinage.