Le 20MnCr5 est un acier allié cémentable à faible teneur en carbone largement utilisé pour les composants mécaniques qui nécessitent une combinaison de dureté de surface, de résistance à l'usure, de résistance à la fatigue et d'un noyau interne résistant. Il est couramment identifié par le numéro de matériau 1.7147 et appartient à la famille des aciers cémentables utilisés pour les engrenages et autres composants de transmission. Ses éléments d'alliage de manganèse et de chrome lui confèrent une bonne trempabilité, tandis que sa teneur relativement faible en carbone permet au noyau de conserver une ténacité utile après cémentation et trempe. Ces caractéristiques rendent le 20MnCr5 particulièrement adapté aux composants exposés à des contacts répétés, au frottement, au couple et aux charges cycliques.

Le matériau est fréquemment utilisé pour les engrenages, les pignons, les arbres, les roues dentées, les bagues, les cames, les accouplements, les pignons de chaîne, les pièces de transmission et d'autres composants porteurs de charge. Les boîtes de vitesses et les engrenages d'essieu sont des applications particulièrement typiques car ces composants nécessitent des surfaces de travail dures tout en résistant aux chocs et aux charges de flexion. Un composant complètement dur et cassant peut se fissurer sous des charges de choc, tandis qu'un composant mou peut subir une usure rapide de la surface. La cémentation permet au 20MnCr5 de fournir les deux propriétés au sein de la même pièce : une couche extérieure durcie pour la résistance à l'usure et un noyau plus résistant pour le support structurel.

L'usinage CNC est une étape importante dans la production de pièces en 20MnCr5. La plupart des opérations d'usinage sont effectuées avant la cémentation et la trempe finales, car l'acier est considérablement plus facile à couper dans son état plus doux. Le tournage CNC peut produire des diamètres extérieurs, des épaulements, des rainures, des cônes, des filetages, des sièges de roulement, des alésages et d'autres caractéristiques de rotation. Le fraisage CNC convient aux surfaces planes, aux fentes, aux clavettes, aux poches, aux faces de montage et aux géométries complexes. Le perçage, l'alésage, le lamage, le brochage et l'usinage d'engrenages peuvent également être intégrés au processus de fabrication en fonction de la conception.

Bien que le 20MnCr5 soit usinable avant la trempe, il ne se comporte pas exactement comme un acier à coupe facile. Les outils de coupe, les vitesses d'avance, les vitesses de broche, le maintien de la pièce et la livraison du liquide de refroidissement doivent être sélectionnés en fonction de l'état du matériau et de la géométrie de la pièce. Les outils en carbure sont couramment utilisés pour la production CNC car ils offrent une bonne résistance à l'usure et des performances de coupe stables. Les montages rigides aident à réduire les vibrations lors de l'usinage d'alésages profonds, d'arbres longs, de sections minces et de caractéristiques interrompues. L'évacuation efficace des copeaux est également importante, en particulier lors du perçage et du tournage intérieur.

Une séquence de fabrication typique commence par la sélection de barres, de pièces forgées ou d'autres matériaux appropriés, suivie d'un usinage brut. L'excès de matière est retiré tandis que des jeux d'usinage sont conservés sur les dimensions qui nécessiteront une grande précision après le traitement thermique. L'usinage semi-fini peut ensuite créer la majeure partie de la géométrie finale avant la cémentation. Les diamètres critiques, les surfaces de roulement, les surfaces d'étanchéité et les caractéristiques d'engrenage de précision sont souvent délibérément laissés légèrement surdimensionnés car le traitement thermique peut provoquer des changements dimensionnels.

La cémentation est l'un des traitements déterminants pour le 20MnCr5. Pendant la cémentation, du carbone supplémentaire est introduit dans la région de surface du composant à température élevée. La trempe ultérieure transforme cette couche enrichie en carbone en une couche de haute dureté, tandis que le noyau à faible teneur en carbone conserve une plus grande ténacité. Cette combinaison aide les composants à résister à l'usure par glissement, à la fatigue de contact par roulement et aux charges mécaniques répétées. La profondeur de couche nécessaire doit être spécifiée en fonction des dimensions du composant, des charges attendues, des conditions de contact et des exigences d'ingénierie plutôt que d'utiliser une seule valeur pour chaque pièce.

La déformation due au traitement thermique doit être prise en compte avant la fin de l'usinage CNC. Les arbres peuvent subir une légère flexion, les trous peuvent se déplacer et les caractéristiques circulaires peuvent perdre une partie de leur rondeur pendant le chauffage et la trempe. Les parois minces et les composants asymétriques sont généralement plus sensibles aux changements dimensionnels. Les fabricants doivent donc tenir compte du jeu d'usinage et de la stratégie de finition lors de la planification du processus plutôt que d'essayer d'usiner toutes les dimensions critiques à la taille finale avant le traitement thermique.

Après la cémentation et la trempe, le meulage est couramment utilisé pour restaurer la précision. Le meulage cylindrique peut finir les tourillons d'arbre, les sièges de roulement, les diamètres extérieurs et les surfaces de localisation. Le meulage intérieur peut être nécessaire pour les alésages de précision, tandis que le meulage de surface peut produire des surfaces de joint planes précises. Le meulage d'engrenages peut être requis lorsque la précision des dents d'engrenage et la qualité de surface sont particulièrement importantes. Le tournage dur peut parfois remplacer le meulage pour les géométries appropriées, mais le choix du processus dépend de la tolérance, de la rugosité de surface, de la rigidité de la pièce, du volume de production et des exigences fonctionnelles.

La finition de surface pour le 20MnCr5 doit toujours être sélectionnée en fonction du mode de fonctionnement de la pièce. La cémentation elle-même modifie les propriétés de la surface mais est principalement un processus de traitement thermique plutôt qu'un revêtement décoratif. Pour de nombreux engrenages et pièces de transmission, la cémentation suivie d'un meulage fournit la surface fonctionnelle requise sans revêtement supplémentaire. D'autres composants, cependant, peuvent nécessiter une protection supplémentaire contre la corrosion ou des conditions environnementales spécifiques.

L'oxydation noire peut être appliquée lorsqu'une apparence sombre et une protection limitée contre la corrosion sont souhaitées. Elle produit une fine couche de conversion et provoque des changements dimensionnels relativement faibles, ce qui peut être utile pour les composants mécaniques de précision. Les revêtements au phosphate peuvent également être utilisés pour fournir une surface protectrice et améliorer la rétention du lubrifiant. L'huile protectrice est fréquemment combinée à un traitement à l'oxyde noir ou au phosphate pour améliorer la résistance à la corrosion à court terme pendant le stockage et le transport.

Le placage au nickel, le placage au zinc ou d'autres revêtements protecteurs peuvent être envisagés pour les pièces exposées à des environnements corrosifs, mais le choix du revêtement nécessite une évaluation minutieuse. L'épaisseur du revêtement peut affecter les ajustements de précision, les filetages, les sièges de roulement et les surfaces de contact. Les zones avec des exigences dimensionnelles strictes peuvent nécessiter un masquage ou une finition post-revêtement. Les fabricants doivent donc confirmer si les dimensions du dessin se réfèrent à l'état avant ou après le placage.

Le grenaillage peut être envisagé pour les composants 20MnCr5 critiques en fatigue. Le processus introduit des contraintes résiduelles de compression bénéfiques dans la surface et peut améliorer la résistance à l'initiation de fissures de fatigue dans des conditions appropriées. Il est particulièrement pertinent pour certains engrenages, arbres et autres pièces soumis à des charges cycliques. Cependant, les paramètres de grenaillage doivent être adaptés au composant plutôt que considérés comme une exigence de finition universelle.

La rugosité de surface a également une influence importante sur les performances. Une surface usinée générale peut être acceptable pour les zones sans contact, tandis que les tourillons de roulement, les surfaces d'étanchéité et les zones de contact des engrenages peuvent nécessiter des finitions beaucoup plus lisses. Le meulage, le rodage, le polissage ou le polissage peuvent être utilisés si nécessaire. Les concepteurs doivent spécifier les exigences de surface fonctionnelles sur le dessin afin que le fabricant puisse déterminer quelles zones nécessitent une finition supplémentaire.

L'inspection doit couvrir à la fois les dimensions et les résultats du traitement thermique. Les caractéristiques usinées par CNC peuvent être mesurées avec des micromètres, des alésomètres, des comparateurs, des machines de mesure tridimensionnelles ou des gabarits dédiés. Les composants durcis peuvent également nécessiter des tests de dureté, une vérification de la profondeur de couche, une mesure de la rugosité de surface et une inspection des engrenages. La vérification des dimensions critiques après le traitement thermique est particulièrement importante car une pièce qui était dans les tolérances avant la cémentation peut changer pendant le cycle thermique.

Le 20MnCr5 est donc bien adapté aux composants de précision où la résistance à l'usure et la ténacité du noyau doivent fonctionner ensemble. La réussite de la fabrication dépend du traitement de l'usinage CNC, de la cémentation, du meulage, de la finition de surface et de l'inspection comme un processus coordonné. Lorsque les jeux d'usinage, la déformation due au traitement thermique, les exigences de surface et les tolérances finales sont pris en compte dès le début, le 20MnCr5 peut offrir des performances fiables pour les engrenages, les arbres, les pignons, les composants de transmission et d'autres pièces usinées CNC exigeantes.