Durcissement superficiel par laser CO₂ continu : cas d’un acier à dispersoïdes de nuance 17MnCuNi7

Features of 17MnCuNi7 steel layers treated by CO₂ laser beam

¹ Laboratoire de Mécanique et Matériaux, Ecole Supérieure de Sciences et Techniques de Tunis, Montfleury, Bab Mnara-Tunis
² Département Matériaux, CETIM, Senlis
³ CLFA, Arcueil

Résumé

Le durcissement superficiel par faisceau laser CO₂ continu n’est généralement pas recommandé dans le cas des pièces métalliques de grandes surfaces par suite de l’important gradient de structure créé par les recouvrements de passes. En effet, les conséquences de ce gradient sur l’hétérogénéité du durcissement et la distribution des contraintes résiduelles peuvent compromettre la tenue en service, et particulièrement la résistance à la fatigue des pièces traitées.

La solution industrielle réside dans la recherche et l’optimisation du couple acier/paramètre de traitement laser, permettant de limiter voire d’éviter l’apparition de zones adoucies, sièges de contraintes résiduelles de traction. Les modes d’interaction microstructure-traitement laser orientent les recherches vers les aciers à dispersoïdes susceptibles de compenser, par effet de durcissement structural, l’adoucissement résultant des recouvrements de passes.

Dans ce cadre, nous avons étudié l’influence de deux types de traitements laser sur l’évolution des structures métallurgiques, des contraintes résiduelles dans les zones de recouvrement de passes et leurs conséquences sur la tenue en fatigue de l’acier à dispersoïdes de nuance 17MnCuNi7. Il en résulte une profondeur des couches affectées pouvant atteindre 2 mm, avec des modifications structurales étroitement liées aux gradients thermiques spécifiques à chaque type de traitement. Le durcissement maximum est atteint en surface, avec des valeurs voisines de 700 HV_0,1 attribuées à une transformation martensitique. La distribution homogène des carbures mixtes de vanadium et de niobium, limite l’adoucissement dans les zones de recouvrement. Les contraintes résiduelles sont de compression dans les zones durcies comme dans les zones adoucies.

La tenue en fatigue de l’acier de nuance 17MnCuNi 7 durci par traitement laser dépend en premier lieu du champ de contraintes résiduelles dans les couches affectées par le traitement, en dépit des pertes de dureté provoquées par le recouvrement de passes. Les améliorations apportées par ce traitement, en terme de limite d’endurance, varient de 10 à 20 % par rapport à l’état de référence, trempé revenu.

Abstract

Generally, the metallic wide surface treatment by continuous CO₂ laser beam is not recommended in consequence of the important structure gradient created by passes overlapping. Indeed, the consequences of this gradient on hardness heterogeneity and on the residual stress distribution can compromise the treated compounds fatigue behaviour.

The industrial solution consists in the optimisation of steel/treatment parameters pair, allowing limiting or eliminating softened zones, site of tensile residual stress. The microstructure — laser treatment interaction tends toward dispersoïd steel to compensate, by structural hardness effect, the resultant recovery passes softening.

In this paper, we studied the influence of two type laser treatments on metallurgical structure evolution, on residual stress in recovery passes zones, and their consequences on fatigue strength of dispersoïd 17MnCuNi7 steel grade. It results in a 2 mm treated depth, with structural modifications associated to specific thermal gradient for each type. The maximum hardening is in surface 700 HV_0,1 and attributed to martensitic transformation. The homogenous distribution of vanadium and niobium carbides limits the recovery zone softening. Residual stresses are in compression in both softened and hardened zone.

The fatigue performance of 17MnCuNi7 steel grade principally depends on the residual stresses field in treatment affected layers, in spite of hardness drops provoked by passes recovery. The improvements of fatigue limit vary of 10 to 20% in comparison with the initial state (quenching + tempering).