Le traitement thermique transforme une ébauche molle et facile à usiner en engrenage capable de porter la charge pendant des années, mais il déplace aussi le métal. Tout engrenage trempé change un peu de forme, et sur une pièce mal dessinée ou mal chargée dans le four, le changement peut être assez grand pour la rebuter. La distorsion n'est pas un défaut aléatoire que le fournisseur corrige ou non, mais une réponse mécanique prévisible à la chaleur, au changement de phase et aux contraintes : il faut la concevoir, la compenser par des surépaisseurs et la corriger enfin par la finition. Celui qui traite la trempe comme une boîte noire reçoit souvent des alésages ovalisés, des dents avec défaut de ligne de dent, des faces non planes et des erreurs de pas qui n'apparaissent que lorsque la boîte à bruit se met à gémir. La bonne nouvelle est que l'essentiel de la distorsion est bien comprise, et une fois le mécanisme clair, il ne reste qu'à gérer les surépaisseurs, le montage et le contrôle du procédé.
Pendant la trempe, deux contraintes différentes agissent, et chacune courbe la pièce à sa manière. La contrainte thermique vient du refroidissement inégal : la surface se refroidit et cherche à se contracter la première tandis que le cœur est encore chaud et plastique, si bien que la surface est tirée, puis, lorsque le cœur se refroidit et se contracte, la surface se retrouve comprimée. La contrainte de transformation vient du passage lui-même de l'austénite à la martensite, car la martensite occupe plus de volume que l'austénite dont elle est issue. La surface se transforme la première et se dilate tandis que le cœur est encore une austénite molle ; quand le cœur finit par se transformer et se dilater, il pousse vers l'extérieur la couche déjà durcie. Quelle contrainte domine dépend de la trempabilité de l'acier, de l'épaisseur de section, de la vitesse de trempe et du mode de bridage, et le résultat est un mélange de croissance, de contraction, de voilage et d'ovalisation difficile à deviner sans données d'essai. La cémentation ajoute une difficulté supplémentaire : la couche riche en carbone ne se transforme pas comme le cœur pauvre en carbone, la couche croît généralement tandis que le cœur rétrécit, et si la cémentation est inégale sur la dent, la racine ou un côté de la largeur reçoivent plus de carbone et plus de dilatation que l'autre, ce qui courbe la ligne de dent. Le revenu relâche ensuite les contraintes résiduelles de trempe, mais ce relâchement peut lui-même déplacer légèrement les cotes, ce qui explique que les pièces stables soient revenues deux fois ou maintenues en température assez longtemps pour achever le mouvement.
Les engrenages de grande taille et de section légère sont ceux où la distorsion mord le plus fort. Une couronne intérieure à paroi mince, de grand diamètre et de faible épaisseur radiale, tend à s'ovaliser à la trempe, car la jante mince se refroidit plus vite que l'âme épaisse et la boulonnerie qui la soutiennent. Les changements de section font de même : un moyeu beaucoup plus lourd que l'âme, ou une jante beaucoup plus lourde que l'âme, se refroidit à son propre rythme et entraîne la section la plus légère hors de l'équerre. Les trous de boulon, les clavettes et les allégements placés d'un seul côté de l'alésage rompent la symétrie de révolution et agissent comme des refroidisseurs locaux et des concentrateurs de contrainte, si bien que l'engrenage croît de façon inégale autour de sa circonférence. Les longs arbres-pignons élancés se comportent comme un arc : un côté de l'arbre se refroidit un peu plus vite que l'autre, la dilatation de transformation est dissymétrique et la pièce sort du bain avec un défaut permanent de ligne de dent qu'on ne peut éliminer que par dressage ou rectification. En pratique, les pires cas sont les couronnes minces, les brides unilatérales, les arbres cannelés et les âmes à évidements dissymétriques.
La réponse standard est de laisser assez de matière pour que le traitement se déplace dans la surépaisseur, puis de retoucher les surfaces vraies après durcissement. La séquence commence par l'usinage : tourner, aléser et tailler l'ébauche près de la cote finale, mais en laissant une couche généreuse sur toute surface qui devra ensuite être exacte. Les surépaisseurs typiques vont de 0,3 à 1,0 mm sur le diamètre de l'alésage, de 0,2 à 0,5 mm sur le diamètre extérieur, quelques dixièmes sur chaque face et 0,15 à 0,35 mm par flanc de dent, selon le module, la profondeur de couche et les données de distorsion mesurées par le fournisseur. La surépaisseur doit être symétrique : laisser plus de matière d'un côté de l'âme ou d'un flanc de dent ne fait que masquer la distorsion, sans l'éliminer. Un recuit de détente ou une normalisation entre l'ébauche et le traitement final élimine les contraintes résiduelles d'usinage qui, sinon, s'ajouteraient à celles de la trempe. Après trempe et revenu, la pièce revient à l'atelier : l'alésage est rectifié ou honé à la cote, les faces sont rectifiées planes et parallèles, et ce n'est qu'ensuite que les dents sont finies à la rectification, car rectifier les dents avant de mettre l'alésage dans le vrai verrouillerait le faux-rond dans le pas.
Rectifier les dents durcies est l'étape de finition qui corrige réellement la distorsion posttraitement, mais elle introduit son propre risque. Une meule émoussée, une vitesse d'avance trop forte ou un liquide de refroidissement qui n'atteint pas la zone de contact peuvent chauffer le flanc jusqu'à revenir la couche en arrière, produisant une zone molle non revenue, voire un réseau de fines fissures de rectification qui se propagent sous charge. Les contremesures habituelles sont une meule vive et fréquemment dressée, de petites profondeurs de passe, un abondant liquide à haute pression pointé vers l'arc de contact et une passe d'étincelage. Il vaut aussi comprendre les limites des autres finitions : le shaving se fait toujours sur un engrenage mou avant traitement, si bien qu'il ne corrige absolument pas la distorsion de trempe ; le honage n'enlève que quelques micromètres et s'emploie après la rectification pour améliorer l'état de surface et introduire une contrainte résiduelle compressive qui réduit le bruit ; la rectification est le seul procédé qui puisse vraiment corriger les défauts de profil, de ligne de dent et de pas après durcissement. Pour les engrenages de précision moyenne, le shaving plus traitement suffit en coût, mais pour les engrenages de haute précision ou grande vitesse, rien ne remplace la rectification après trempe, souvent suivie d'un léger honage.
Une liste pratique de contrôle vaut pour chaque projet. Avant traitement, ébaucher la pièce et la détendre, car les ébauches fraîchement usinées portent leurs propres contraintes enfermées. En conception, privilégier la symétrie : sections d'épaisseur uniforme, trous de boulon disposés symétriquement, trous fictifs là où la masse doit être équilibrée, et éviter les brides minces qui se refroidissent les premières. Au chargement, suspendre les arbres verticalement sur mandrins, soutenir les couronnes sur des platines ou avec des montages intérieurs, et charger le four de sorte qu'aucune pièce n'en touche une autre sur une surface critique. Choisir soigneusement le milieu de trempe : l'huile ou le polymère déplace beaucoup moins la pièce que l'eau, et l'agitation contrôlée bat la trempe au repos. Garder la température du four uniforme sur toute la charge, avec réglage de zones calibré et rampe lente dans la plage de transformation. Mesurer avant et après : faire tremper des éprouvettes ou un échantillon représentatif, enregistrer l'ovalisation de l'alésage, le faux-rond et la ligne de dent, et tenir une carte de distorsion pour chaque famille d'engrenages, afin que la surépaisseur puisse se resserrer avec le temps au lieu d'être devinée à chaque commande.
La distorsion se traite mieux comme un nombre à prévoir que comme un accident à éviter. Quand vous demandez des engrenages à un fournisseur, rendez la conversation concrète : indiquez la classe de précision dont vous avez besoin, acceptez que la rectification posttraitement soit utilisée pour l'atteindre, précisez les surfaces qui doivent être finies après durcissement, et demandez d'abord des pièces échantillons pour que la surépaisseur soit réglée. Un fournisseur qui refuse de mesurer la distorsion, ou qui promet un déplacement nul à la trempe, promet ce qu'aucun traitement thermique ne peut livrer. Avec une surépaisseur réaliste, un montage raisonnable et un procédé documenté, la même trempe qui durcit vos engrenages peut aussi être conduite pour les laisser assez près du vrai pour qu'une passe de finition les ramène dans la tolérance.