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Aciers à outils

par Robert LÉVÊQUEIngénieur Civil des MinesDirecteur Technique. Établissement d’Unieux. IRSID

es aciers à outils sont utilisés, comme leur nom l’indique, dans tous les pro-blèmes de mise en forme des matériaux au sens le plus large. Il peut s’agir

d’opérations d’usinage (tournage, perçage, fraisage...) de mise en forme à froidet à chaud (poinçons, matrices, cylindres de laminoirs), de moulage (alliageslégers, alliages de zinc, plastiques renforcés ou non par des fibres), de filage etd’extrusion (alliages légers, plastiques...). Les aciers à outils font partie intégrantedu domaine des aciers spéciaux, mais ils diffèrent sensiblement des aciers deconstruction mécanique, tant par les conditions de leur utilisation que par lescritères d’emploi qui servent à les définir. En effet, dans le cas d’un outil de qualité,on recherche le maximum de durée, sans fixer de limite supérieure, alors quel’acier de construction mécanique doit présenter une aptitude suffisante àl’emploi avec des caractéristiques spécifiques bien déterminées comme la tenueà la fatigue, la résistance à la rupture brutale, l’aptitude à subir un cycle thermo-mécanique au cours de la mise en œuvre et l’usinabilité.

1. Composition chimique et structure.................................................... M 330 - 21.1 Éléments d’alliage ....................................................................................... — 21.2 Désignation des aciers à outils................................................................... — 61.3 Structure de solidification........................................................................... — 61.4 Structure à l’état recuit................................................................................ — 81.5 Structure après traitement thermique ....................................................... — 9

2. Élaboration et transformation.............................................................. — 132.1 Élaboration du métal liquide ...................................................................... — 132.2 Structure à l’état brut de coulée ................................................................. — 132.3 Affinage de structure................................................................................... — 152.4 Outils moulés ............................................................................................... — 172.5 Transformation des lingots......................................................................... — 172.6 Traitement de recuit .................................................................................... — 182.7 Contrôle des produits moulés, forgés et laminés..................................... — 18

3. Critères de mise en œuvre .................................................................... — 193.1 Usinage des ébauches ................................................................................ — 193.2 Traitement thermique.................................................................................. — 223.3 Aptitude à la rectification............................................................................ — 223.4 Traitements de surface................................................................................ — 25

4. Critères d’emploi...................................................................................... — 254.1 Ténacité ........................................................................................................ — 254.2 Dureté ........................................................................................................... — 284.3 Résistance à la fatigue thermique.............................................................. — 304.4 Résistance à l’usure..................................................................................... — 324.5 Tenue à la corrosion .................................................................................... — 34

5. Classification des aciers à outils......................................................... — 355.1 Aciers à outils non alliés pour travail à froid (classe 1)............................ — 355.2 Aciers à outils alliés pour travail à froid (classe 2) ................................... — 365.3 Aciers à outils alliés pour travail à chaud (classe 3) ................................. — 405.4 Aciers à coupe rapide (classe 4) ................................................................. — 42

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 333

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Par ailleurs, l’outil est sollicité dans la plupart des cas au niveau de sa surfacequi doit supporter les contraintes les plus sévères alors que les sollicitations d’unacier de construction intéressent l’ensemble du matériau. Il en résulte que lesaciers à outils ne peuvent pas être définis au moyen de lois de comportementsimples et qu’il est nécessaire d’avoir une connaissance la plus précise possibledes conditions de sollicitations pour apporter des critères de choix réalistes. Lessolutions adoptées sont la conséquence d’une démarche essentiellementpragmatique et constituent des compromis entre des exigences souventcontradictoires.

1. Composition chimiqueet structure

1.1 Éléments d’alliage

Lors des opérations de mise en forme, avec ou sans enlèvementde copeaux, les outils sont soumis à des sollicitations extrêmementcomplexes et les propriétés requises au niveau des aciers pour detels emplois sont les suivantes :

— une grande dureté, pour résister aux déformations géné-ralisées ou localisées de la surface lors du travail par enfoncement,ou par cisaillement du métal, ou par pénétration dans ce dernier pouren enlever une partie sous forme de copeaux ; suivant l’emploiauquel est destiné l’outil (travail à froid ou à chaud), on attache plusou moins d’importance au fait que la dureté persiste lorsque l’acierest porté à température élevée ;

— une bonne résistance à l’usure, c’est-à-dire la résistance à l’arra-chement de particules lors du frottement contre une autre surface ;

— une absence de fragilité, notamment dans les emplois pourlesquels l’outil est soumis à des chocs fréquents ;

— une bonne résistance aux chocs thermiques, surtout dans lesaciers pour moules, les outillages de forge et les cylindres de lami-nage à chaud qui sont soumis à des changements de températurebrusques et répétés ;

— une bonne trempabilité pour que la structure soit homogènesur de très grandes épaisseurs après le traitement thermique detrempe. Cette dernière propriété doit être complétée par une résis-tance convenable à la surchauffe et au grossissement du grain.

Cet ensemble de caractéristiques peut être atteint si l’on ajouteà l’acier au carbone un certain nombre d’éléments d’alliage quenous allons énumérer.

1.1.1 Carbone

C’est l’élément essentiel pour durcir l’acier, et la variation de ladureté HRC en fonction de la teneur en carbone d’un acier non alliéaprès transformation martensitique est illustrée par la figure 1.Au-delà de 0,6 % de carbone, on atteint la zone des aciers à outilscaractérisée par de haut niveaux de dureté et qui correspond audomaine des aciers de travail à froid et des aciers à coupe rapide.Il faut noter que l’augmentation progressive de la teneur en carboneconduit à un abaissement de la température du liquidus et du soliduset, par voie de conséquence, à une réduction des domaines de tem-pérature correspondant à la transformation à chaud et au traitementthermique.

1.1.2 Éléments carburigènes

Les éléments carburigènes tels que le chrome, le tungstène, lemolybdène et le vanadium, ajoutés séparément ou conjointementà l’acier au carbone, ont des influences communes sur le compor-tement de cet acier, qu’il est bon d’énumérer avant de parler desactions spécifiques de chacun de ces éléments :

— difficulté de remise en solution complète des carbures lorsqueles proportions de l’élément métallique et du carbone augmentent,ce qui rend difficile et même impossible l’affinage des carbures partraitement thermique ;

— présence de carbures insolubles qui gênent le grossissementdu grain austénitique ;

— précipitation de carbures spéciaux par revenu entre 500et 600 oC, ce qui entraîne le durcissement secondaire.

1.1.3 Vanadium

Il est utilisé essentiellement comme élément générateur decarbures. C’est un élément d’alliage important dans les aciers rapidespour l’obtention d’une bonne dureté à chaud et d’une bonne résis-tance à l’usure en raison de la présence de particules très dures decarbures de vanadium dont les propriétés tribologiques sont parailleurs très intéressantes. De petites additions, voisines de 0,2 % enmasse, sont très efficaces pour éviter le grossissement du grain lorsdu traitement thermique. Le vanadium est rarement utilisé seul dansles aciers à outils, mais la plupart du temps en association avec lechrome, le molybdène et le tungstène. Il entraîne en effet une aug-mentation substantielle des cinétiques d’oxydation à l’air dès 600 oCet cette action est contrebalancée par l’influence bénéfique duchrome sur la résistance à l’oxydation.

La teneur en vanadium est étroitement associée à la teneur encarbone. La figure 2 montre les effets combinés du vanadium et ducarbone sur les propriétés de base de l’acier rapide classiqueà 6 % W, 5 % Mo et 4 % Cr. Comme on peut le voir sur cette figure,il n’y a qu’une bande de composition étroite en carbone et vanadiumpour laquelle les propriétés des aciers sont satisfaisantes. Pourchaque 1 % de vanadium ajouté, il faut augmenter la teneurmassique en carbone de 0,25 % ; des additions de vanadium tropimportantes entraînent des problèmes de trempabilité, et desadditions de carbone trop importantes entraînent des difficultés deforgeage.

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Historique

Les aciers à outils constituent une gamme d’aciers extrê-mement ancienne qui est probablement la première forme d’uti-lisation des métaux ferreux. C’est en effet vers 1000 ans avantJ.C. que semble remonter la découverte de ces aciers grâce à latechnique de la cémentation et à l’art de la trempe, qui ont ététrouvés par hasard, le fer absorbant du carbone au contact desmatières organiques qui servaient à le chauffer pour le marteler.Ces méthodes permettaient de produire un fer carburé dit aciernaturel.

Vers 350 avant J.C., on voit apparaître en Inde, et peut-êtreantérieurement, en Chine, le fer fondu : le fer était extrait de sonminerai au moyen de fours dont le fonctionnement était voisinde celui de nos hauts-fourneaux. Le bloc spongieux obtenu étaitmartelé pour être débarrassé de ses crasses, puis refondu dansde petits creusets que l’on laissait refroidir.

Les aciers de Damas étaient déjà des composites, formés delames, alternativement en acier dur et en fer doux, assemblés parsoudage et forgeage. La technique fut importée à Tolède, puis seperdit.

Au Moyen Âge, les techniques de fusion étaient oubliées etl’on fabriquait à nouveau l’acier en chauffant le fer au contact dematières carbonées. La carburation n’était, bien sûr, que super-ficielle. Pour obtenir des matériaux durs, d’un certain volume, onforgeait ensemble des petits morceaux carburés : le métal étaittoujours strié avec de nombreux défauts.

Ce n’est qu’au milieu du XVIIIe siècle (1740) que Huntsmanredécouvrit la fusion de l’acier. En fondant, dans un creuset, despetits morceaux de fer cémentés, il obtenait un bloc d’acierhomogène et durcissant uniformément.

Au début du XIXe siècle apparut la première élaboration,c’est-à-dire le mélange dans le creuset, avant fusion, de fer et dematières carbonées, puis plus tard de fonte. Ce n’est cependantqu’en 1820 que Karsten montra que la différence entre le fer,l’acier et la fonte résidait essentiellement dans les écarts deteneur en carbone.

En 1868, R. Mushet découvrit qu’en ajoutant du tungstène àl’acier, celui-ci durcissait après chauffage, sans que l’on aitbesoin de le tremper. On reconnut bien vite que cet acier s’usaitmoins et tenait mieux l’affûtage, mais il fallut attendre encorevingt-cinq ans pour s’apercevoir que cet acier avait une dureté àchaud très améliorée et qu’il supportait une augmentation trèssensible des vitesses de coupe. Cet acier avait approximati-vement pour composition : 2 % de carbone, 2,5 % de manganèseet 7 % de tungstène. C’était le premier acier à coupe rapide.

L’idée de l’addition de chrome revient à Holtzer en 1876. Maisil restait encore un progrès à faire, celui du traitement ther-mique. On pensait alors que l’acier ne supportait pas d’êtrechauffé au-dessus du rouge, c’est-à-dire au-delà de 900 oC, etc’est par les expériences de Taylor, à la fin du siècle dernier, qu’ilfut découvert que cet acier au chrome, loin d’être détérioré parles hautes températures, voyait ses propriétés tellementaméliorées qu’il permettait d’atteindre des vitesses de coupe trèsélevées pour l’époque (de l’ordre de 10 m/min).

Au début du XXe siècle, Taylor et White recommandaient unacier avec 1,85 % de carbone, 4 % de chrome, 8 % de tungstène,puis conseillaient d’abaisser le carbone à 0,70 % et d’augmenterle tungstène jusqu’à 14 %. La base des aciers rapides actuels étaitainsi créée.

Après 1900, les progrès effectués dans le domaine des aciersà coupe rapide se sont étendus à tous les aciers à outils. En 1920,le nombre de nuances mises au point aux États-Unis était égal à12 et la plupart de ces nuances continuent de nos jours à êtrefabriquées. C’est le cas en particulier des aciers de travail à chaudcontenant du chrome ou du tungstène, des aciers de travail àfroid contenant du manganèse, du tungstène, du chrome et duvanadium. Dans le domaine des aciers à coupe rapide, la duretéà chaud a été augmentée sensiblement par des additions decobalt allant jusqu’à 10 %.

Parmi les évolutions importantes de compositions chimiquesaprès la Première Guerre mondiale, il faut signaler l’introduc-tion du molybdène dans les aciers à 5 % de chrome pour satis-faire au problème de trempabilité et l’apparition des aciersgraphitiques et des aciers à durcissement structural par chauf-fage après trempe pour satisfaire au problème d’usinabilité. Onnote également, pendant cette période, l’utilisation de plus enplus large du molybdène à la place du tungstène dans les aciersà coupe rapide. Cette tendance a été accentuée au cours de laSeconde Guerre mondiale en raison des difficultés d’approvi-sionnement du tungstène, elle a été facilitée par les progrès réa-lisés dans le domaine du traitement thermique grâce à lagénéralisation des bains de sels.

Depuis les années 50, les progrès réalisés dans les aciers àoutils se situent surtout au niveau des conditions d’élaborationet de transformation pour affiner la structure des produitsobtenus. Il faut noter également l’incorporation d’éléments telsque le soufre pour répondre aux problèmes d’usinabilité, d’étatde surface des outils, et la mise au point des aciers rapides ditsurcarburés à haute teneur en vanadium, carbone et cobalt.

Les principaux faits marquants depuis une dizaine d’annéessont le développement d’aciers à outils moulés utilisés notam-ment comme cylindres de laminoirs avec les progrès réalisés surles techniques telles que la centrifugation verticale, la refusionannulaire ou la compaction isostatique à chaud de mélanges depoudres. On peut signaler également dans le domaine desmoules et outils le développement des aciers inoxydables et desaciers Maraging.

Le recensement des nuances d’aciers à outils, tel qu’il a été faitau début des années 70, donne les résultats suivants :

— aux États-Unis : 76 nuances (norme AISI) ;— en Allemagne : 82 nuances (document Werkstoffblätter) ;— en France : 87 nuances (norme NF A 35-590).L’embarras de l’utilisateur est tout à fait justifié devant l’abon-

dance des nuances qui lui sont proposées et dont certainescorrespondent à des applications qui apparaissent identiques,mais il est difficile à l’aciériste de réduire leur nombre puisquetoutes répondent à des besoins certains de l’industrie. Le but duprésent article est de faire un classement aussi simple quepossible des principaux groupes d’aciers à outils en évoquantaussi bien les propriétés de mise en œuvre (élaboration et trans-formation de l’acier, traitement de recuit, usinabilité, traitementthermique, aptitude à la réctification et à l’obtention de texturessuperficielles) que les propriétés d’emploi (ténacité, dureté àchaud, résistance à l’usure, tenue à la corrosion) pour aiderl’utilisateur à mieux penser son problème.

Historique


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1.1.4 Chrome

Cet élément est utilisé dans la plupart des aciers à outils, en quan-tité allant de 0,5 à 17 %. Cet élément alphagène joue un rôle essentieldans l’augmentation de la trempabilité. Bien qu’ayant un pouvoircarburigène inférieur à celui du tungstène, il forme des carbures dutype M7C3 qui participent à la résistance à l’abrasion et s’opposentau grossissement du grain lors de l’austénitisation. Il provoque, parailleurs, un certain retard à l’adoucissement lors du revenu, ce quiaméliore la résistance à chaud. Il entraîne également une très forteréduction de l’oxydation à haute température ; cet effet est tel quedans le cas d’un acier rapide classique, par exemple, l’éliminationdu chrome augmente la perte en masse par calamine au cours duchauffage au-dessus de 1 100 oC d’un facteur voisin de 8.

Il est important de signaler également que l’addition de plusde 10 % de chrome entraîne une augmentation substantielle de larésistance à la corrosion, sous réserve que cet élément ne soit pastrop fixé sous forme de composé défini du type carbure ou nitrure.Les outils utilisés dans des conditions relativement sévères commecertains moules sont caractérisés par des teneurs massiques enchrome supérieures à 13 %.

1.1.5 Tungstène

Il a été l’un des éléments d’alliage les plus employés dans ledomaine des aciers à outils en raison de son pouvoir carburigènetrès important. Certains aciers rapides contiennent jusqu’à 22 % detungstène ; l’acier qui a connu le plus grand essor jusqu’à cesdernières années est celui à 18 % de tungstène. Sa très large tolé-rance aux variations de la température et sa facilité de traitementthermique font qu’il a été particulièrement employé. Toutefois lamontée des cours du tungstène entraîne depuis quelque temps sonremplacement par le groupe des aciers à 12 % de cet élément.

Le tungstène ne se met que très peu en solution dans la cémentite,mais donne naissance à des carbures de haute dureté conférant auxaciers une grande résistance à l’usure. De plus, il offre la possibilitéde durcissement secondaire. En effet, des aciers trempés à hautetempérature (1 050 à 1 200 oC) présentent au revenu un durcis-sement secondaire, ce qui leur donne, pour des températures allantde 500 à 600 oC, la possibilité de ralentir l’effet d’adoucissement aurevenu. Cet élément permet donc aux aciers à outils de résister àl’abrasion provoquée par le frottement du matériau déformé et àl’échauffement qui en résulte.

Plus la teneur en tungstène est élevée, plus la température defusion de l’alliage est augmentée. Aussi, la température de mise ensolution peut-elle être plus élevée, ce qui laisse une grande libertédans le choix de la température d’austénitisation.

Par la présence de carbures primaires, formés lors de la solidifi-cation, cet élément diminue la tendance des aciers au grossissementdu grain par surchauffe. Mais sa forte masse atomique et donc lamasse moléculaire élevée de ses composés en font un élément trèsségrégé, d’où une augmentation sensible de l’hétérogénéité del’acier. Les aciers à outils au tungstène sont peu sensibles à la décar-buration, mais ont une résistance au choc thermique assez faible.

1.1.6 Molybdène

Dans les aciers à outils, cet élément a un comportement analogueà celui du tungstène (§ 1.1.5) ; il est très carburigène et se substitueau tungstène dans la proportion massique de 1,6 à 2 % de tungstènepour 1 % de molybdène. La vitesse de diffusion de cet élément dansle fer est quatre fois supérieure à celle du tungstène, ce qui entraîneune moins grande sensibilité de cet élément au phénomène deségrégation.

Les aciers au molybdène présentent, par rapport aux aciers autungstène, un certain nombre d’avantages et d’inconvénients :

— avantages : meilleure ductilité et densité plus faible ; mise ensolution plus facile des carbures de molybdène ;

— inconvénients : plus grande sensibilité à la décarburation et auphénomène d’oxydation catastrophique pour des maintiens entre1 000 et 1 100 oC, plus grande sensibilité au phénomène de sur-chauffe, d’où réduction de la fourchette de température de trempe.

Par la présence de carbures primaires, formés lors de la solidifi-cation, cet élément s’oppose au grossissement du grain lors de latrempe. Il augmente de plus la trempabilité, mais à condition quela température de trempe soit suffisante pour assurer la dissolutionpartielle ou totale des carbures.

Lors du revenu, il a une action trois fois plus énergique que celledu tungstène vis-à-vis du durcissement secondaire. Il offre d’autrepart l’avantage de moins stabiliser l’austénité résiduelle, d’où destemps de revenu plus courts ou une réduction du nombre de revenuspar rapport aux nuances au tungstène.

1.1.7 Cobalt

Il est communément ajouté en quantités variables entre 3 et 15 %,notamment dans les aciers rapides qui travaillent dans des condi-tions sévères. Le cobalt est principalement en solution dans lamatrice et ne modifie ni la quantité, ni la composition chimique descarbures. Mais il est clair que les propriétés de la matrice sont

Figure 1 – Dureté Rockwell C de la martensite(dureté maximale possible de l’acier) en fonction du taux de carbone

Figure 2 – Influence des teneurs respectives en carboneet en vanadium sur les propriétés des aciers rapidescontenant 6 % W-5 % Mo-4 % Cr


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fortement influencées par l’addition de cobalt. Il augmente la tem-pérature du liquidus, ce qui permet d’effectuer la trempe à des tem-pératures plus élevées et par voie de conséquence, de mettre plusd’éléments d’alliage en solution. Il accroît la dureté à chaud danstoute l’échelle de température allant de l’ambiante à 600 oC et retardele survieillissement de l’acier au-delà du durcissement secondaire.Il améliore également la résistance à l’oxydation catastrophique del’acier lors du chauffage entre 1 000 et 1 100 oC, surtout pour desteneurs supérieures à 5 % par suite d’une influence directe sur laténacité de la calamine. Par contre, il diminue la ductilité de l’acierpour des teneurs supérieures à 3 % et a une action néfaste sur latrempabilité, si bien que les nuances à forte teneur cobalt posentdes problèmes d’obtention de dureté pour des outillages de dimen-sions importantes.

On a cru pendant de nombreuses années que les difficultésd’obtention des fortes duretés par revenu des aciers rapides à hauteteneur en cobalt étaient liées à une influence directe de cet élémentsur la stabilité de la structure austénitique ; en fait, il n’en est rien,et des travaux récents ont montré qu’il s’agissait plutôt d’un effetindirect lié à une température de chauffage plus élevée lors de latrempe et à une mise en solution plus importante du carbone et deséléments carburigènes. Toutes choses égales par ailleurs, le cobalttend même à réduire le taux d’austénité résiduelle après trempe etcontribue à accélérer sa décomposition au cours du revenu.

1.1.8 Silicium

Il se trouve dans tous les aciers à outils à une teneur voisinede 0,3 %, car il est utilisé comme désoxydant dans l’acier liquide austade final de l’élaboration. En fait, des études récentes ont montréqu’il pouvait être avantageux d’augmenter sa teneur jusqu’auxenvirons de 1 % pour plusieurs raisons :

— réduction de la sensibilité à l’oxydation catastrophique entre1 000 et 1 100 oC pouvant contrebalancer les influences néfastes dumolybdène et du vanadium ;

— réduction des ségrégations de carbures par suite d’une dimi-nution de l’intervalle de solidification ;

— augmentation de la trempabilité par effet de synergie avecdes éléments comme le molybdène ;

— augmentation de la dureté et de la résistance à l’adoucis-sement dans le domaine de température de revenu 150-300 oC ;

— diminution de la stabilité des carbures M2C que l’on trouve àl’état brut de coulée dans certains aciers rapides riches en molybdèneet qui peuvent subsister après transformation à chaud, ce quientraîne une plus grande fragilité du métal.

Le silicium entre dans la composition de certains carbures, notam-ment le carbure M6C, en substitution aux éléments d’alliage tels queCr, W ou V, ce qui entraîne la formation d’une plus grande quantitéde carbures en fin de solidification. L’ajout de cet élément au niveaude 1 % nécessite, par conséquent, une diminution de la teneur encarbone de 0,1 à 0,2 % et une réduction des concentrations en Wet V dans les proportions correspondant au carbure MC. De tellesmodifications de composition chimique ont été utilisées récemmentdans le domaine des aciers à coupe rapide.

1.1.9 Autres éléments

■ Le nickel, à l’exception de certains aciers d’outillages à chaud, setrouve simplement comme élément résiduel dans les aciers à outils,à des teneurs inférieures à 0,3 %. En raison de son influence directesur le taux d’austénite résiduelle après trempe, cet élément entraînedes difficultés de traitement thermique au revenu dans les aciers àoutils chargés en carbone et éléments carburigènes ; il est bon designaler son influence favorable sur la trempabilité, la résistanceaux chocs et la ténacité des calamines, ainsi que son influence plu-tôt défavorable sur la résistance au revenu.

■ Le manganèse a, sur le comportement des aciers à outils, uneinfluence analogue à celle du nickel. Il se trouve, en général, présentcomme élément résiduel à des teneurs comprises entre 0,3 et0,5 % ; il faut signaler toutefois que certains aciers à outilscontiennent jusqu’à 2 % de manganèse pour des problèmes detrempabilité et, jusqu’à 1 % de cet élément lorsqu’ils sont resulfurés.

■ L’azote a une solubilité très faible (0,04 %) dans l’acier à l’étatliquide. L’addition de certains éléments comme le chrome, lemanganèse, le molybdène et le vanadium entraîne une augmenta-tion de la solubilité de cet élément et il est possible de conserver desteneurs comprises entre 0,10 et 0,13 % après solidification decertains aciers à haute teneur en chrome et vanadium (aciers à couperapide par exemple). Cet élément joue le rôle d’inoculant avec levanadium et le chrome en raison de la très grande stabilité desnitrures correspondants. Il en résulte une réduction de la taille degrains et une plus grande résistance à la surchauffe. Par ailleurs, lasolubilité de l’azote dans les aciers peut être élevée en augmentantla pression et il existe actuellement un procédé industriel, basé surla refusion sous laitier (procédé PESR), dans lequel des élaborationspeuvent être réalisées jusqu’à des pressions de 4 MPa avec desadditions en continu d’azote sous forme de nitrures de chrome ou desilicium.

Ajouté en substitution partielle au carbone, l’azote entraîne uneaugmentation des propriétés mécaniques à chaud et de la résistanceà la corrosion d’aciers à outils contenant des additions importantesde chrome ; par contre, il entraîne un abaissement de la ductilité,de l’aptitude au soudage ainsi que de l’aptitude à l’usinage parcertains procédés non conventionnels comme l’électroérosion. Desapplications pratiques sont actuellement développées dans ledomaine de la plasturgie, de la coulée sous pression ou de la forge.

■ Le soufre, incorporé dans les aciers à outils jusqu’à des teneursvoisines de 0,1 %, permet d’améliorer l’usinabilité et l’état de sur-face des outils. Cette amélioration est d’autant plus importante quel’acier contient plus de carbone et d’éléments carburigènes.

La réduction de ductilité provoquée par les additions de soufren’est pas très importante dans le domaine des aciers à outils carles inclusions de sulfures sont en général associées aux carbures.Pour des teneurs en soufre supérieures à 1 %, les propriétés derésistance à l’usure de l’acier sont fortement affectées.

■ L’aluminium a été, jusqu’à présent, peu ajouté dans les aciers àoutils en raison de son rôle néfaste sur les propriétés de mise enœuvre telles que la transformation à chaud, l’usinabilité et l’apti-tude à la rectification, ainsi que sur les caractéristiques de ténacitéet de trempabilité. Toutefois, les progrès réalisés dans les modesd’élaboration permettent d’envisager des additions importantes(supérieures ou égales à 1 %) dans certains aciers à haute teneuren carbone. Cette addition d’aluminium entraîne des effets remar-quables sur l’évolution des microstructures au cours des cyclesthermiques :

— relèvement d’environ 50 oC du domaine de stabilité de la ferrite,ce qui permet d’envisager une déformation de type superplastiqueà des températures voisines de 750 oC (allongement compris entre100 et 150 % pour des vitesses de déformation comprises entre 1et 10–2 %/s) ;

— inhibition de la précipitation des carbures proeutectoïdes inter-granulaires, même pour des refroidissements très lents après cyclede transformation à chaud ;

— facilité de globulisation de la perlite même lors de simplesrefroidissements continus.

Ces effets peuvent être utilisés pour simplifier les gammes de fabri-cation de certains aciers pour lesquels des structures globuliséessont recherchées au niveau de la mise en forme (aciers à roulementpar exemple).


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■ Le niobium, élément carburigène au même titre que le vanadium,contribue également à donner aux aciers à outils une bonne résis-tance à l’usure en raison de la formation de carbures MC. Ajouté auxaciers à outils au chrome, il tend à réduire la quantité de carburesM7C3 qui constituent les sources de fragilité et de difficultés de miseen œuvre par électroérosion.

■ Le titane, élément également très carburigène peut être ajoutédans certains aciers à outils de forte résistance à l’usure, pour subs-tituer partiellement les carbures MC ainsi formés aux carbures M7C3 .Toutefois, le taux d’addition doit être rigoureusement contrôlé pouréviter de trop gros amas de carbures tout à fait préjudiciables pourles problèmes de mise en œuvre par rectification ou électroérosion.Les taux d’addition réalisés industriellement à l’heure actuelle sonttrop faibles pour avoir une répartition homogène de carbures MC, ilsne dépassent pas quelques 0,1 %. Dans ce cas, il s’agit de maintenirun niveau de rugosité le plus constant possible sur la surface del’outil en cours de service par différentiel d’usure.

1.2 Désignation des aciers à outils

La désignation des aciers à outils fait actuellement l’objet detravaux européens. La norme NF A 35-590, homologuée le20 novembre 1992, se situe dans le cadre de l’EuronormeEN 10027-1.

Pour chaque classe d’acier, le lecteur se reportera à l’articleDonnées numériques sur les aciers à outils [M 332] dans ce traité.

1.2.1 Aciers à outils non alliés pour travail à froid

Cette classe d’aciers est subdivisée en trois groupes de qualité.Leur désignation comporte le symbole préfixe C, suivi d’un nombreexprimant la teneur moyenne en carbone, en centièmes pour cent,puis de la lettre E suivie d’un indice 2, 3 ou 4 selon l’indice de qualité.

De légères additions éventuelles, par exemple de vanadium oude chrome sont rappelées par les symboles abrégés V ou Cr, pla-cés en fin de désignation.

1.2.2 Aciers à outils alliés pour travail à froid

Ils sont caractérisés par des niveaux de dureté élevés à latempérature ambiante (entre 56 et 63 HRC), mais par une résistanceà l’adoucissement faible ; ils ont des teneurs massiques en carboneélevées (> 0,6 %), mais des teneurs massiques en éléments for-tement carburigènes tels que tungstène, molybdène et vanadiumassez basses . Cette catégorieregroupe les aciers dont les compositions chimiques s’étendent defaibles additions de Cr, Mn, Si, W à des teneurs en chrome corres-pondant à celles des aciers très résistants à l’usure, de la familleX 200 Cr 12.

1.2.3 Aciers à outils alliés pour travail à chaud

Ils sont caractérisés par des niveaux de dureté moyens à latempérature ambiante, compris entre 44 et 55 HRC, mais par unerésistance à l’adoucissement relativement forte ; ils ont des teneursmassiques en carbone comprises entre 0,3 et 0,6 %, avec des addi-tions plus ou moins importantes d’éléments carburigènes tels quele chrome, le molybdène, le tungstène et le vanadium et, danscertains cas, une addition complémentaire de cobalt.

1.2.4 Aciers à coupe rapide

Ils sont caractérisés par des niveaux de dureté élevés à la tem-pérature ambiante, compris entre 60 et 70 HRC, et par une résistanceà l’adoucissement élevée, ils ont des teneurs en carbone supérieuresou égales à 0,8 % et des additions importantes d’éléments car-burigènes tels que le tungstène, le molybdène, le vanadium et, àun degré moindre, le chrome. La résistance à l’adoucissement peutêtre fortement améliorée par des additions de cobalt allant danscertains cas jusqu’à 15 %. Leur composition chimique permet unedésignation abrégée définie de la manière suivante :

— trois chiffres donnant les teneurs moyennes en W, Mo, Vdans cet ordre pour les aciers sans cobalt ;

— quatre chiffres donnant les teneurs moyennes en W, Mo, V,Co dans ce même ordre pour les aciers contenant du cobalt ;

— les trois ou quatre chiffres sont précédés du symbole HS(high speed ).

Le chrome et le carbone sont omis dans le cas où deux nuancesse différencient uniquement par la teneur en carbone, le symboleHC placé en fin de la désignation abrégée permet de distinguer lavariante à teneur en carbone plus élevée.

1.3 Structure de solidification

1.3.1 Diagrammes d’équilibre.Influence des éléments d’addition

1.3.1.1 Diagramme fer-carbone

Les structures de solidification des aciers à outils sont en généralrelativement complexes, notamment dans le cas des nuances hau-tement chargées en carbone et éléments carburigènes. Le carboneest l’élément dont l’influence sur la structure est la plus marquée.Il est bon de prendre comme base d’étude les deux diagrammesfer-carbone connus, représentés sur la figure 3 : le diagramme ditstable fer-graphite (lignes en tireté) et le diagramme dit métastablefer-cémentite (traits pleins). Nous nous intéressons uniquement audiagramme métastable qui est le plus proche de la réalité.

Au cours de la solidification de l’acier liquide, il peut se produiredeux phénomènes différents selon la teneur en carbone :

— pour une teneur en carbone inférieure à celle du point E, ilcommence à se former des cristaux de ferrite si C < 0,5 %, et descristaux d’austénite si C > 0,5 % (austénite proeutectique). Mais,dans tous les cas, la structure devient entièrement austénitiquelorsque tout l’acier est solidifié ;

— pour une teneur en carbone supérieure à celle du point E, quicorrespond en fait à la solubilité maximale du carbone dansl’austénite, il précipite en même temps que l’austénite un mélangeeutectique de cristaux de carbures à base de fer appelé lédeburite.

Les nuances d’aciers à outils sont rangées, selon leur mode detravail, en quatre classes :

— les aciers non alliés pour travail à froid ..............(classe 1)— les aciers alliés pour travail à froid ......................(classe 2)— les aciers alliés pour travail à chaud....................(classe 3)— les aciers rapides ....................................................(classe 4)

W 2 %-Mo 1 %-V 0,5 %� � �( )

Exemples

Acier rapide HS 18-0-1 (W 18 %, Mo 0 %, V 1 %, Cr 4 %).Acier rapide HS 6-5-2-5 (W 6 %, Mo 5 %, V2 %, Co 5 %, Cr 4 %).Acier surcarburé HS 12-1-5-5 (W 12 %, Mo 1 %, V 5 %, Co – 5 %,

Cr 4 %)


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

L’addition d’un tiers élément au système fer-carbone se traduitpar des changements de structure qui peuvent être décrits parl’utilisation des diagrammes ternaires Fe-X-C.

1.3.1.2 Diagramme ternaire fer-chrome-carbone

En présence de chrome, la structure de solidification n’est que trèspeu modifiée lorsque la teneur en cet élément est inférieure ou égaleà 6 %, le constituant lédeburitique qui peut se former avec une teneuren carbone élevée ( ) est un carbure KC qui n’est autre qu’unecémentite substituée du type (Fe, Cr)3C (diagramme Fe-Cr-C dansl’article Diagramme d’équilibre. Alliages ternaires [M 176] de cetraité). Par contre, lorsque la teneur en chrome est supérieure à 8 %,il apparaît dans la lédeburite le carbure K2 qui est du type (Fe, Cr)7C3ou M7C3 . Pour les très hautes teneurs en chrome, supérieures à 60 %,il peut apparaître dans les structures de solidification le carbure K1qui est du type (Fe, Cr)23C6 ou M23C6 .

1.3.1.3 Diagramme ternaire fer-tungstène-carbone

En présence de tungstène, la structure de solidification n’est quepeu modifiée lorsque la teneur en cet élément est inférieure ou égaleà 2 % et la lédeburite qui se forme pour des teneurs en carboneélevées ( ) est une cémentite substituée du type M3C. Pour desadditions de tungstène comprises entre 2 et 5 %, le constituantlédeburitique formé est un carbure du type M23C6 ou Fe21W2C6 ;au-delà de 6 % de tungstène, le constituant lédeburitique qui apparaîtà la solidification des aciers hautement chargés en carbone est uncarbure du type M6C ou Fe3W3C.

1.3.1.4 Diagramme ternaire fer-molybdène-carbone

Les mêmes remarques qu’avec le tungstène peuvent être faitespour des additions de molybdène en utilisant la substitution 1,6 à 2 %de tungstène pour 1 % de molybdène.

1.3.2 Structure de solidificationdes aciers lédeburitiques

Les problèmes rencontrés dans la fabrication des aciers à outilshautement chargés en carbone et en éléments carburigènes sontassociés à la ségrégation des carbures qui se produit inévitablementau cours du processus de solidification de ce type d’acier. Beaucoupde travaux ont été faits dans le domaine des aciers lédeburitiquesau chrome et des ac iers rap ides au tungstène ou autungstène-molybdène. Dans la plupart des cas, il a été constaté quela séquence de solidification s’effectue selon un processus analogueà celui qui a été mis en évidence dans le cas de l’acier rapide 18 %de tungstène (§ 1.1.5). Le diagramme de la figure 4 est une coupebinaire à 18 % W du système ternaire Fe-W-C. Un tel diagrammedemanderait certaines modifications pour tenir compte, entre autres,de l’influence du vanadium et du cobalt, le vanadium, en particulier,entraînant du déplacement des limites de phase vers la droite parsuite de son affinité pour le carbone ; il permet toutefois, en premièreapproximation, de définir la séquence des différentes réactions desolidification.

Le processus débute par la formation de dendrites de ferrite δ,au sein desquelles se trouvent en solution W, Cr et V et très peude carbone , ce dernier étant rejeté au front de crois-sance des dendrites. Le refroidissement se poursuivant, a lieu laréaction péritectique : liquide + ferrite δ → austénite. La ségréga-tion du carbone est moins prononcée au cours de cette phase desolidification en raison de la plus grande solubilité de cet élémentdans l’austénite. Pendant le même temps, la ségrégation des élé-ments ferritisants, comme le tungstène et le vanadium, se pour-suit, et le reste du liquide non consommé lors des réactionspéritectiques conduit en fin de solidification à la réaction eutec-tique suivante : liquide → austénite + carbures. La ferrite formée audébut de la solidification se décompose ensuite en agrégats d’aus-ténite et de carbures selon une réaction eutectoïde.

Figure 3 – Diagramme binaire fer-carbone

2 %�

2 %�

Figure 4 – Diagramme de phase pseudo-binairecorrespondant à une coupe du diagramme ternaire Fe-W-C à 18 % W

0,1 % � ( )


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

Des études plus récentes effectuées par analyse thermique ontpermis de préciser, à la fois sur le plan qualitatif en ce qui concerneles températures que sur le plan quantitatif en ce qui concerne lesdifférents constituants, ces réactions de solidification.

Dans les aciers rapides surcarburés sans cobalt, avec de fortesconcentrations en vanadium et en carbone, la formation de cristauxde ferrite

δ

se fait autour de germes constitués par les carbures devanadium ; la réaction péritectique entraînant la formation d’aus-ténite est relativement importante et la quantité de lédeburite plusfaible. C’est ainsi que, dans l’acier HS 6-5-4, la structure de solidi-fication à l’équilibre contient 40 % de ferrite

δ

, 47 % d’austénite, 2 %de carbures MC, 10 % de carbures M

6

C et seulement 1 % de léde-burite. L’addition de cobalt à ces aciers entraîne une modificationdu processus de solidification : au-delà de 8 % de cobalt, il ne seforme plus de ferrite

δ

et la solidification commence directement parl’austénite. Ce constituant, qui dissout plus de carbone que la ferrite,entraîne une modification des précipitations de carbures et unabaissement de la température correspondant à la formation de léde-burite. C’est ainsi que dans l’acier HS 7-6-3-12, la structure de soli-dification à l’équilibre contient 78 % d’austénite et 22 % delédeburite.

Dans les aciers à outils au chrome à haute teneur en carbone(> 1,5 %), la solidification commence directement par le constituantausténitique et se termine par le dépôt de lédeburite qui est unagrégat de carbures du type M

7

C

3

. L’addition de molybdène ou devanadium à ce type d’acier se traduit par une substitution partiellede ces deux éléments dans le constituant lédeburitique. Des étudesrécentes réalisées par analyse thermique sur des alliages expéri-mentaux ont permis de définir la composition des eutectiquesformés en fin de solidification d’alliages quaternaires Fe-Cr-V-C etde situer le domaine de teneurs en Cr et V permettant d’éviter laformation de carbures du type M

7

C

3

.

1.4 Structure à l’état recuit

Après refroidissement lent d’une structure brute de coulée outransformation à chaud des lingots qui se traduit, dans le cas desaciers lédeburitiques, par une déformation du réseau de carbureseutectiques et par la formation d’amas de plus ou moins grandeenvergure, les produits subissent un traitement de recuit dont le butest de donner à l’acier une structure et un niveau d’adoucissementtels que sa mise en œuvre soit plus aisée. Dans un tel état, la structuredes aciers à outils est constituée par un agrégat de ferrite et decarbures.

Les carbures présents dans les aciers à outils à l’état recuitdépendent de la teneur en éléments d’alliage de ces derniers. Enprésence de tungstène ou de molybdène, au fur et à mesure quela teneur en carbone augmente, apparaissent tout d’abord lescarbures du type M

3

C, puis du type M

23

C

6

riches en fer :Fe

21

(W, Mo)

2

C

6

, puis les carbures du type M

6

C correspondant àFe

4

(W, Mo)

2

C et Fe

3

(W, Mo)

3

C (figures

6

et

7

qui sont les coupesisothermes des diagrammes ternaires fer-tungstène-carbone etfer-molybdène-carbone à 700

oC). Ces deux diagrammes montrentl’équivalence de 1 % de molybdène et de 1,6 à 2 % de tungstène pourla formation des carbures. Dans les deux cas, les limites de phasesne doivent pas être considérées avec la plus grande rigueur car ils’agit de structures d’équilibre qu’il est impossible d’obtenir enpratique.

En présence de chrome, quand le pourcentage massique en car-bone croît, apparaissent tout d’abord les carbures du type KC (M3C)ou cémentite substituée, puis le carbure du type M7C3 , puis le car-bure du type M23C6 dans lequel l’élément métallique M est constituépar l’ensemble (Fe + Cr) (figure 8 qui est une coupe du diagrammeternaire fer-chrome-carbone à 700 oC). Le diagramme montre queles aciers à outils à hautes teneurs en chrome et en carbone sontconstitués à l’état recuit par un agrégat de ferrite et de carbures dutype M7C3 .

Exemple : dans le cas de l’acier HS 6-5-2, pour une vitesse de refroi-dissement très lente, on obtient la séquence illustrée par la figure 5 :

— formation de ferrite δ entre 1 435 et 1 330 oC (69 % environ) ;— réaction péritectique au voisinage de 1 330 oC (14 % environ

d’austénite γ ) ;— formation de carbures à partir de l’austénite vers 1 260 oC (2 %

environ) ;— démarrage de la réaction eutectique à 1 235-1 240 oC (15 % de

lédeburite).

Figure 5 – Structure de solidification de l’acier HS 6-5-2 (représentation schématique)

Figure 6 – Coupe isotherme du diagramme Fe-W-C à 700 oC


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

En présence de chrome, de molybdène et de tungstène, lesdifférents types de carbures que l’on peut rencontrer à l’état recuitpeuvent être estimés d’après la coupe isotherme à 700 oC du dia-gramme quaternaire fer-(tungstène + molybdène)-chrome-carbone(figure 9).

Il est clair d’après ce diagramme que :— le domaine de stabilité du carbure M23C6 est considérablement

élargi en présence de chrome ;— lorsque la teneur en carbone croît, le carbure M23C6 est

remplacé par le carbure M7C3 ;— lorsque la teneur en tungstène ou en molybdène croît, le

carbure molybdène croît, le carbure M23C6 est remplacé par lecarbure M6C ;

— il n’est pas possible d’obtenir, même dans les aciers rapideshautement chargés en tungstène et en molybdène, les carbures dutype MC que l’on rencontre dans les métaux durs obtenus parmétallurgie des poudres (cermets WC-Co).

En présence de vanadium, apparaît le carbure du type MC dontl’élément M est constitué essentiellement par le vanadium avec unpeu de fer ou de tungstène lorsque cet élément est ajouté à l’acier.Le vanadium a une grande affinité pour le carbone et la teneur encet élément doit être étroitement associée à la teneur en carbonepour éviter la formation de phases intermétalliques.

Nous indiquons sur la figure 10 la limite des phases M6C, MC etde la phase intermétallique M3R2 dans le cas d’un acier rapide à 6 %de tungstène, 5 % de molybdène et 4 % de chrome.

1.5 Structure après traitement thermique

1.5.1 Constituants obtenus après chauffageet refroidissement

Si l’on reprend comme base le diagramme fer-carbone de lafigure 3, on constate qu’au cours du chauffage, et dès 720 oC, lemélange de ferrite et de cémentite, qui sont les constituants stablesde l’acier à la température ambiante, se transforme en austénite.Cette transformation se fait sans zone intermédiaire pour l’acierà 0,82 % de carbone dénommé eutectoïde, et avec une zone inter-médiaire avec excès de ferrite ou de cémentite selon que l’acier esthypo ou hypereutectoïde.

D’une manière générale, les éléments d’alliage modifient la formedu diagramme fer-carbone ; les éléments alphagènes, favorables àla formation de la ferrite (chrome, molybdène, tungstène, vanadium,silicium, aluminium), réduisent de façon importante le domaine desteneurs en carbone et l’intervalle de température qui correspondentà l’austénite pure. À titre d’exemple, 8 % de molybdène ou 20 % dechrome éliminent le domaine de l’austénite. Tous ces élémentstendent à élever les points de transformation ferrite → austénite auchauffage. Par contre, les éléments gammagènes, favorables à laformation d’austénite, tels que le manganèse et le nickel, tendentà abaisser les points de transformation (courbes de la figure 11).

Les éléments d’alliage abaissent également la teneur en carbonede l’eutectoïde et par conséquent la barrière entre aciers hypo ethypereutectoïdes. Le molybdène, le tungstène, le vanadium et lesilicium sont parmi les éléments les plus actifs, le manganèse, lechrome et le nickel parmi les moins actifs (figure 12).

Figure 7 – Coupe isotherme du diagramme Fe-Mo-C à 700 oC

Figure 8 – Coupe isotherme du diagramme Fe-Cr-C à 700 oC


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

Figure 9 – Coupe isotherme du diagramme quaternaire Fe-(Mo + W)-Cr-C à 700 oC. Domaine de stabilité des principaux carbures

Figure 10 – Influence des variations de teneurs en carboneet vanadium sur les phases carbures présentesdans les aciers rapides à 6 % W-5 % Mo-4 % Cr

Figure 11 – Influence des éléments d’alliagesur la position du domaine de température Ac1


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

La représentation du diagramme TTT convient bien pour la défi-nition des différents constituants obtenus suivant la températurede maintien après chauffage à une température donnée. Ce type decourbe est absolument nécessaire si l’utilisateur veut faire des trai-tements par étape dans le domaine de stabilité de l’austénite ou destrempes bainitiques. Des exemples d’utilisation de ces courbes sontfournis dans la rubrique Traitements thermiques du présent traité.

La teneur en carbone influe assez nettement sur la forme descourbes TTT ; c’est ainsi que, selon le caractère hypo ou hyper-eutectoïde de l’acier, le domaine de formation de la perlite est pré-cédé par un domaine correspondant à l’apparition de précipités deferrite ou de cémentite ; d’autre part, la teneur en carbone joue éga-lement sur la position du point Ms, une augmentation de cette teneurse traduisant par un abaissement de Ms.

Presque tous les éléments d’alliage, à l’exception du cobalt,allongent les temps d’incubation avant la formation d’austénite etralentissent le processus de transformation de l’austénite. Lescourbes de la figure 13 illustrent ce mode d’action et montrent, àtitre indicatif, que le chrome, le molybdène, le vanadium, le man-ganèse et le nickel renforcent le domaine bainitique et entraînentla formation d’un domaine de stabilité de l’austénite entre ledomaine perlitique et le domaine bainitique.

La représentation du diagramme TRC permet d’associer à unevitesse de refroidissement donnée une structure et un niveau dedureté donnés. Ce type de courbe est un guide précieux pour l’uti-lisateur qui a, dans la plupart des cas, à effectuer des traitementsthermiques en conditions anisothermes et qui doit choisir son modede trempe en fonction des dimensions de l’outillage et du niveaude dureté à obtenir. Des exemples d’utilisation de ces diagrammessont donnés dans l’article Traitements thermiques des aciers à outils.Guide de choix [M 1 137] de ce traité.

Suivant la vitesse de refroidissement, la transformation de l’aus-ténite s’effectue d’une manière plus ou moins complète ; il peut doncsubsister dans la structure de l’acier une fraction d’austénite nontransformée, ou austénite résiduelle, qui joue un rôle important dansles aciers à outils : difficulté d’obtention de la dureté, transformationen martensite par écrouissage, déformations aux traitements

thermiques, etc. La proportion de ce constituant est maximalelorsque la vitesse de refroidissement correspond à la vitesse critiquede trempe martensitique. Il s’agit là d’un phénomène absolumentgénéral lié, dans le cas de la transformation martensitique, à uneautostabilisation de l’austénite lorsque la vitesse de refroidissementdiminue.

1.5.2 Nature des carbures primaires

Lorsque l’on élève la température de chauffage d’un acier à outils,les carbures que l’on rencontre à l’état recuit commencent à passeren solution. Les carbures M3C et M23C6 , contenant du chrome, dutungstène et du molybdène en plus du fer, commencent à sedissoudre dès 800 oC pour M3C, 900 oC pour M23C6 et on ne lesrencontre plus au-delà de 1 130 oC. Les carbures complexes du typeM6C ou MC, par contre, sont beaucoup plus résistants et ne sontque partiellement remis en solution ; les dissolutions importantesde ces deux dernières phases ne commencent que vers 1 150 oC pourM6C et 1 200 oC pour MC. Dans les aciers rapides classiques, le pour-centage de MC non dissous pendant l’austénitisation est relative-ment faible et ne représente que 10 à 15 % en volume de l’ensembleMC + M6C ; en revanche, dans les aciers rapides surcarburés, cemême pourcentage peut atteindre 60 à 70 % de l’ensembleMC + M6C après chauffage à 1 240 oC.

Dans les aciers à outils à hautes teneurs en chrome et en carbone,la quantité de carbures M7C3 qui subsiste après chauffage auxenvirons de 1 000 oC est comprise entre 10 et 15 % pour les aciersà 12 % de chrome et entre 4 et 5 % pour les aciers à 5 % de chrome.

Le tableau 1 donne, à tire indicatif, pour un certain nombre d’aciersd’outillage à teneur croissante en chrome et d’aciers rapides à teneurcroissante en vanadium, avec ou sans addition de cobalt, la quantitétotale de carbures non dissous après austénitisation, la nature et lacomposition chimique de ces carbures. Ces résultats ont été obtenuspar extraction sélective des carbures après attaque de la matrice souspotentiel contrôlé par analyse radiocristallographique et dosagechimique des résidus extraits.

(0)

Figure 12 – Influence des éléments d’alliagesur la teneur en carbone de l’eutectoïde

Au cours du refroidissement, les transformations structuralessont plus complexes car il apparaît un paramètre qui ne figurepas sur le diagramme fer-carbone relatif à des états d’équilibre :le temps. L’étude de la transformation de l’austénite peut se faire :

— soit en condition isotherme à des températures variablessituées au-dessous du point A1 ;

— soit en condition anisotherme à des vitesses de refroidis-sement variables.

La première méthode aboutit au tracé des diagrammestempérature-temps-transformation (courbes TTT), la seconde autracé des diagrammes de transformation en refroidissementcontinu (courbes TRC).

Figure 13 – Courbes TTT des aciers à outils(représentation schématique)


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

Il est intéressant de noter, au vu des résultats de ce tableau, quela teneur massique en chrome du carbure M7C3 varie de 30 à 50 %selon la composition chimique de l’acier, que la teneur en vanadiumdu carbure MC présent dans les aciers rapides est voisine de 50 %et que la teneur en tungstène et molybdène du carbure M6C présentégalement dans les aciers rapides est voisine de 60 %.

Dans le domaine des aciers rapides contenant de fortes additionsde molybdène , il est bon de signaler que l’augmentationde la teneur en carbone de 1 à 2 % ne modifie pratiquement pas letaux de carbures total en raison de la substitution partielle du carbureM2C au carbure M6C. Ce carbure a une composition chimique et unedureté intermédiaires entre celles des carbures MC et M6C. Sa formeaciculaire rend l’acier fragile et peu usinable et ce type de carburedoit être évité après traitement thermique. Des éléments comme lesilicium ou le vanadium permettent d’éviter sa formation.

Nous donnons, à titre indicatif, sur la figure 14 les duretéscomparées des principaux types de carbures que l’on rencontre dansles aciers à outils. La proportion maximale de carbures MC est àrechercher pour les problèmes de résistance à l’usure, sous réserveque les propriétés de mise en forme des outils et notamment d’apti-tude à la rectification ne soient pas rendues trop délicates.

1.5.3 Grosseur de grain

Le grosseur de grain austénitique a une influence considérable surles propriétés d’emploi des aciers à outils, notamment la ténacitéet la résistance à l’usure. C’est donc un paramètre particulièrementimportant. Dans la plupart des cas, la norme ASTM E112-74(NF A 04-102) est suffisante pour couvrir l’ensemble des structuresobtenues. Dans le cas des aciers à outils lédeburitiques, pour les-quels des tailles de grains extrêmement fines peuvent être obtenues,la norme utilise une méthode d’interception (méthode Snyder-Graff).

Les facteurs métallurgiques qui influent sur la taille de grainssont les suivants :

— la température d’austénitisation ;— le temps de maintien à cette température ;— la composition chimique de l’acier ;— la distribution des carbures primaires.

D’une manière générale, les aciers à outils à haute teneur encarbone (C > 0,6 %) et éléments carburigènes ( ;

) conservent une taille de grains relativement fine jusqu’àdes températures assez élevées (de l’ordre de 1 200 oC) en raisonde l’effet de barrière constitué par les carbures non dissous. Plusces carbures sont fins et bien répartis, plus grande est la possibilitéd’avoir un grain fin jusqu’aux températures d’austénitisation les plusélevées. Par contre, s’il y a des ségrégations marquées de carburesen amas ou en réseau, il y a des hétérogénéités importantes de gros-seur de grain.

Tableau 1 – Caractéristiques des carbures primairespouvant être présents dans les aciers à outils après austénitisation

Type d’acier

Température d’austéniti-

sation

Taux de carbure

non dissous

Type de carbure et proportion

trouvée

Composition chimique des carbures (% en masse)

(oC) (%) C Fe W Mo V Cr Co Si

85 CrMoV 7 (1)............... 830 6,0 MC 100 % 6,7 76,1 ... 1,1 1,3 12,3 ... 2,5X 100 CrMoV 5 .............. 950 4,5 M7C3 100 % 8,5 50,0 ... 4,9 4,8 31,9X 160 CrMoV 12 ............ 1 025 12,5 M7C3 100 % 8,7 35,5 ... 4,2 4,5 46,9X 100 CrMo 17............... 1 020 11,4 M7C3 100 % 8,8 40,6 ... 1,6 ... 49,0HS 6-5-2 ......................... 1 220 10,2 MC 9,3 % 11,5 6,9 14,6 13,0 50,1 3,7 0,2

M6C 90,7 % 1,8 28,6 35,0 25,6 5,8 3,0 0,2HS 6-5-4 ......................... 1 220 10,5 MC 56,3 % 10,7 1,5 19,0 17,2 47,8 3,8 0,1

M6C 43,7 % 1,8 28,3 35,0 25,3 6,2 3,3 0,1HS 12-1-5-5 .................... 1 220 13,9 MC 60,4 % 9,4 1,0 35,4 1,9 48,4 3,7 0,2

M6C 39,6 % 1,5 22,8 60,9 3,4 5,4 4,0 2,0

(1) Nuance non normalisée, dérivée de 100 Cr 6

Figure 14 – Microduretés comparées des carburescontenus dans les aciers à outils

6 %�( )

Méthode de Snyder-Graff

L’échantillon subit une attaque micrographique au nital, puis,sous grossissement 1 000, on examine une longueur de127 mm symbolisée par un trait, et l’on compte le nombre degrains traversés par cette ligne.

L’opération est répétée dix fois et conduit à la classificationsuivante :

— nombre de grains < 8 : gros grain ;— nombre de grains compris entre 8 et 11 : grain moyen ;— nombre de grains compris entre 12 et 15 : grain fin ;— nombre de grains > 15 : grain très fin.Cette opération peut maintenant être réalisée automatique-

ment, par analyse d’image.

W Mo 8 % � +V 1 % �


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

Une fois trempés, les aciers rapides ne peuvent pas subir undeuxième chauffage à température élevée car ce second traitemententraîne la formation d’un grain très gros dont l’origine peuts’expliquer simplement par la mise en solution des carbures au coursde la première austénitisation et la très forte diminution de l’effetde barrière au cours du deuxième cycle. D’une manière générale,le grossissement apparaît au cours du second traitement de façonbrutale à des températures situées 50

o

C au-dessous de la premièretempérature d’austénitisation. Seul, un recuit prolongé au-dessusdes points de transformation de l’acier, c’est-à-dire vers 900

o

C, suivid’un refroidissement très lent ( ), est capable de sup-primer la structure aciculaire liée à la première austénitisation etd’éviter le grossissement exagéré du grain au cours du deuxièmetraitement (article

Traitements thermiques des aciers à outils. Guidede choix

[M 1 137] dans le présent traité).

2. Élaborationet transformation

2.1 Élaboration du métal liquide

Aujourd’hui, la majeure partie des aciers à outils est élaborée aufour à arc. Le four à induction conserve, l’avantage de la souplesse,permettant d’élaborer de petites quantités, tandis que le four àcreuset est en voie de disparition.

2.1.1 Fusion au creuset

Cette technique, découverte au XVIII

e

siècle, a survécu jusqu’ànos jours.

Elle ne permet pas d’opération d’affinage, propre à éliminer lesimpuretés telles que le soufre ou le phosphore. La nature du creusetest réductrice, mais acide, constituée par un mélange de graphiteet de terres siliceuses. Cela impose un choix rigoureux des matièrespremières, ce qui assure, si la fusion est bien conduite, une constancede qualité appréciée.

La charge est constituée par le fer de Suède, les éléments d’alliageet la fonte. La difficulté de l’élaboration réside dans l’ajustage de lateneur en carbone : l’aciériste doit régler le taux d’élémentsdésoxydants (Mn, Si) et le moment où ils sont introduits, pour avoirun niveau de propreté de l’acier suffisant, compatible avec l’obten-tion d’une teneur en carbone correcte.

2.1.2 Fusion au four à induction

Le four à induction s’apparente quelque peu au four à creuset, maisla charge est chauffée par induction, ce qui présente des avantagesquant à la rapidité de fusion et à la faible perte au niveau des élémentstrès oxydables. La composition de la charge doit être bien connue,les chutes et les matières neuves analysées et choisies, car on nepeut pas pratiquer, à proprement parler, d’élaboration. La fusion sefait de la manière la plus simple : la charge, additionnée de la quantitéde graphite nécessaire, est réalisée à la composition définitive, àl’exception du vanadium qui est ajouté juste avant la coulée.

Le four à induction est intéressant pour sa souplesse à élaborerde petites quantités, et pour la reproductibilité et l’homogénéité del’analyse. Par contre, il présente l’inconvénient de ne pas permettred’affinage, et le métal est relativement chargé en inclusions.

2.1.3 Fusion au four à arc

Ce procédé convient pour 90 % de l’ensemble des aciers à outils.L’arc permet, en effet, d’atteindre des températures élevées, et le bainmétallique, peu profond, peut être brassé énergiquement. Celapermet des opérations d’affinage, et l’élaboration d’une couléed’acier à outils peut être conduite de la manière suivante :

— fusion de la charge constituée par des chutes diverses, descopeaux, soigneusement analysés, et des éléments d’alliage ajoutésla plupart du temps sous forme de ferro-alliages ;

— utilisation d’un laitier blanc obtenu par addition de chaux, desilico-calcium et de carbure de calcium, brassage par injectiond’azote, ce qui permet une bonne désoxydation et une bonnedésulfuration de l’acier ;

— addition de silicium pour bien désoxyder le bain, addition éven-tuelle des éléments d’alliage, incorporation du vanadium ou d’autreséléments très oxydables comme Nb, Ti, Al et coulée en poche ;

— brassage en poche par injection d’azote pour assurer une bonnehomogénéité de température et de composition avant la coulée.

2.1.4 Utilisation des chutes

Pour les aciers à outils les plus alliés, contenant des élémentsd’alliage chers et pour les aciers rapides, on utilise de plus en plusdes proportions importantes de chutes dans la charge ; cetteproportion peut aller jusqu’à 100 %. Le seul problème apparu cesdernières années est l’augmentation, par cumul, des teneursrésiduelles en plomb, en bore, en zinc et en étain. Il est probableque le plomb résulte de l’usinage d’aciers à usinabilité amélioréepar addition de plomb, et le bore provient d’outils à carbures rap-portés. Le zinc et l’étain proviennent du recyclage des tôles revêtues.Plomb et bore nuisent à la forgeabilité. Le bore, en particulier,ségrège très fortement aux joints de grains et forme des eutectiquesdont la température de fusion se situe au niveau des températureshabituelles de forgeage. Par ailleurs, s’il est mal contrôlé au niveaude l’élaboration, il peut modifier de façon substantielle la trempa-bilité et la résistance aux chocs de l’acier. Le zinc et l’étain, en plusfortes concentrations aux joints de grains, peuvent affecter la capa-cité de transformation à chaud et la ductilité de l’acier.

2.2 Structure à l’état brut de coulée

La plupart des aciers à outils sont élaborés par la filière classiquedu lingot. Toutefois, de nouvelles filières utilisant la coulée continuese développent, notamment dans le cas des aciers du type 100 Cr 6et de certains aciers d’outillage à froid et à chaud dont les composi-tions chimiques se rapprochent de celles des aciers de constructionmécanique (aciers au chrome, au manganèse-silicium...). Ladescription des structures à l’état brut de coulée se fera essentiel-lement dans le cas de la coulée en lingots, quelques indicationscomplémentaires seront données dans le cas de la coulée continue.

2.2.1 Structure du lingot

La coulée en lingots est encore la plus traditionnelle dans le

domaine des aciers à outils, à la différence des autres groupesd’aciers. Les mécanismes de solidification induisent inévitablementdes ségrégations (à l’échelle dentritique et à l’échelle du lingot), desdéfauts divers, et leur hérédité se perpétue jusque dans le produitfinal. Cette importance de la solidification est très grande dans lesaciers à outils hautement chargés en carbone et éléments carburi-gènes par comparaison aux aciers peu alliés, car les ségrégationssont concrétisées par le réseau de carbures lédeburitiques qui nepeut être remis en solution ou atténué par diffusion.

25o C/ h�


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

Le premier critère de qualité d’un acier à outils étant la finesseet l’homogénéité de sa structure, on conçoit toute l’attention qu’ily a lieu de porter à l’obtention du lingot.

Rappelons que la

structure d’un lingot

comprend trois zones :—

zone à grains très fins

: c’est une couche, de quelques milli-mètres d’épaisseur, de métal solidifié très rapidement au contactde la lingotière ;

—

zone à grains basaltiques

: ces grains, très allongés vers l’inté-rieur du lingot, résultent de la croissance privilégiée, plus rapide,des cristaux ayant une certaine orientation ; ils se développent dansune épaisseur de quelques centimètres, correspondant à la zone oùexiste un refroidissement unidirectionnel de vitesse suffisante ;

—

zone à grains équiaxes

: au-delà de la zone à grains basaltiques,apparaît une zone à grains polygonaux, de grosseurs variables,résultat de la croissance jusqu’à contact mutuel, de dendrites libreséquiaxes. Cette cristallisation équiaxe est perturbée, d’autant plusque le lingot est gros, par l’effet de la pesanteur et celui defluctuations thermiques, pour donner lieu à des phénomènes desédimentation.

2.2.1.1 Ségrégation dans le lingot

Le processus de solidification engendre trois types deségrégations.

■

Ségrégation mineure ou interdendritique

: les éléments d’alliage,dont le carbone, sont repoussés dans les espaces interdendritiques,où ils précipitent sous forme de carbures. Les axes dendritiquespeuvent contenir, dans leur centre, des inclusions à température defusion élevée, qui leur ont servi de germe. Les inclusions à bassetempérature de fusion sont rassemblées dans les espaces inter-dendritiques : en particulier, le couple carbure-sulfure est fréquent.

■

Ségrégation majeure

: le phénomène de rejet des élémentsd’alliage et du carbone se retrouve à l’échelle du lingot. La zone depeau, solidifiée rapidement, a la composition de la coulée, ensuite onassiste à une ségrégation des éléments de l’extérieur vers l’intérieurdu lingot. La partie axiale du lingot est la plus chargée en élémentsd’alliage ainsi qu’en impuretés et en inclusions. Dans le cas des aciersrapides contenant de fortes additions de tungstène et de molybdène,cette ségrégation axiale est très importante. Nous donnons, à titreindicatif, sur la figure

15

le profil de ségrégation du carbone et dutungstène dans un lingot de 1 300 kg d’acier rapide HS 18-0-1.Comme on peut le voir sur cette figure, le maximum de ségrégationdes éléments carbone et tungstène se trouve dans la partie centraleet au tiers pied du lingot. Il est donc nécessaire de limiter la taille deslingots et cela d’autant plus que l’acier est plus riche en carbone eten éléments d’alliage. Il est couramment admis aujourd’hui que lamasse maximale des lingots d’acier rapide classique est de l’ordrede 1 t et que celle des lingots d’acier rapide surcarburé est voisinede 500 kg.

■

Ségrégation inverse

: elle est la conséquence du mécanisme desédimentation décrit précédemment et donne lieu au

cône de ségré-gation inverse

en pied de lingot et aux irrégularités de compositionde la zone équiaxe.

2.2.1.2 Défauts physiques dans le lingot

Au phénomène de ségrégation des éléments d’alliage, qui apparaît

inévitablement dans un lingot considéré comme parfait, il fautajouter les défauts physiques dus au retrait qui accompagne la soli-dification et aux dégagements gazeux. Le premier défaut conduit àla formation de

retassures secondaires

dans la partie axiale du lingotet le second à la formation de

veines sombres

.

■

Retassures secondaires

: les aléas de la solidification de la zonecentrale équiaxe peuvent engendrer la formation de ponts de solidi-fication qui enferment de plus grands volumes de liquides. Si cephénomène se produit seulement vers la fin de la solidification, lesvolumes concernés sont faibles et le retrait donne lieu à des porositésaxiales plus ou moins importantes. Si des ponts de solidification se

créent plus tôt dans la solidification du lingot, les volumes concernéssont importants et peuvent donner lieu à de véritables cavités, ouretassures secondaires. Pour éviter ce phénomène, la lingotière doitavoir une pente importante de telle sorte que le front de solidificationforme un V qui progresse de bas en haut. Un masselottage importantde la partie supérieure du lingot, ainsi que l’utilisation d’un réfractaireisolant et exothermique, permettent de maintenir cette source demétal liquide.

La définition des paramètres : rapport hauteur/section du lingot,pentes, importance de la masselotte, forme et degrés d’isolation, faitsurtout l’objet de règles basées sur l’expérience. Cependant, lesmodèles mathématiques de solidification permettent aujourd’huides progrès plus rationnels. Nous donnons, à titre d’exemple, surla figure

16

les résultats d’un calcul effectué sur une lingotière de1 270 kg dans le cas d’un acier à outil du type X 200 Cr 12. Le calculmet en évidence un pont de solidification en tête du lingot(figure

16

a

), et ce défaut peut être supprimé en donnant à lalingotière une forme un peu plus évasée et en augmentant le tauxde masselottage ainsi que son pouvoir isolant (figure 16 b ).

■

Veines sombres

: elles apparaissent sous forme de lignes presqueverticales, situées vers l’intérieur de la zone équiaxe. Elles sontconstituées de métal ségrégé qui cristallise indépendamment de lamasse du lingot : de nouveaux axes dendritiques convergent versl’axe de la veine sombre. Ces zones peuvent contenir des micro-retassures et, dans les aciers à outils très alliés, des ségrégationsimportantes d’éléments d’alliage provoquant la formation decarbures massifs. L’hypothèse relative à la formation des veinessombres serait celle de bulles de gaz remontant dans le liquidechargé de cristaux, le trajet de ces bulles étant comblé ultérieurement

Figure 15 – Profils de ségrégation au sein d’un lingot de 1 300 kgen acier HS 18-0-1


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

par du liquide ségrégé. Ce phénomène, qui apparaît assez facilementdans les aciers à outils très chargés en carbone, peut être évité si lebain d’acier liquide est très bien désoxydé et si la surface interne dela lingotière est exempte d’oxydes.

2.2.2 Structures de coulée continue

Les aciers alliés ou à haute teneur en carbone tels que les aciersà outils sont caractérisés par un large intervalle de solidification etprésentent des difficultés à couler en continu en raison des ségré-gations importantes apparaissant à la solidification (§ 2.2.1.1). Parailleurs, il peut se produire des fissurations internes de la zonepâteuse lors des déformations thermomécaniques imposées auproduit le long de la coulée continue et ces défauts ont des originesdiverses : veines internes ségrégées (voir veines sombres décritesci-avant), décohésions liées à des ségrégations ou porosités internes.Enfin, les produits coulés en continu peuvent présenter des micro-fissures de surface dont la formation est liée étroitement au compor-tement du métal à la solidification et au cycle thermomécanique subitout au long de la coulée continue. Le rôle très néfaste exercé parcertains éléments comme le bore sur l’apparition de ces défauts aété maintenant clairement établi.

Le développement de la coulée continue dans le domaine desaciers à large intervalle de solidification passe par une réduction dességrégations axiales et des défauts qui lui sont associés (porositéset veines internes). Deux voies sont actuellement suivies : une

réduc-tion douce thermique

en fin de solidification par autofrettage duproduit ou réduction mécanique (dans ce cas, c’est la porosité axialequi est réduite), ou une

basse surchauffe

par refroidissement duproduit en début de solidification (dans ce cas, ce sont les ségré-gations axiales et les veines internes qui sont réduites par augmen-tation de la zone de cristallisation basaltique).

2.3 Affinage de structure

Le seul moyen pour affiner réellement la structure des produitsen acier à outils est d’agir sur la cristallisation, c’est-à-dire dechercher à obtenir, dès la solidification, une réduction des ségré-gations des éléments d’alliage et du carbone. Nous citeronscomme principaux moyens employés :

— les artifices utilisés en métallurgie conventionnelle : vibrationdes lingotières, brassage, inoculation ;

— les procédés de refusion sous laitier ;— la métallurgie des poudres préalliées, dans le domaine des

aciers les plus alliés (aciers d’outillage à froid à forte teneur encarbone et aciers à coupe rapide).

2.3.1 Moyens utilisés en métallurgie conventionnelle

C’est en agissant sur le processus de germination dans la zonecentrale des lingots que les effets d’affinage les plus spectaculairesont été obtenus.

■

Brassage en lingotière au moyen d’un gaz

: des résultats inté-ressants peuvent être obtenus en brassant le métal dans la lingo-tière, au moyen d’un gaz. L’idée n’est pas neuve, elle date du débutdu siècle, mais elle a été remise d’actualité par la mise au point desbriques poreuses, qui permettent d’insuffler un gaz par la base de lalingotière, comme on le fait par le fond des poches.

Le brassage doit être énergique, mais de courte durée ; un bras-sage trop long entraîne de nouvelles ségrégations, probablementpar un excès de germes qui finissent par enfermer des poches deliquide qui ségrège. Ce procédé, actuellement utilisé par certainsaciéristes pour pratiquer la désoxydation de l’acier effervescent enlingotière et une bonne décantation des inclusions, a été expéri-menté avec succès dans le domaine des aciers à outils. Avec deslingots de masse comprise entre 1 200 et 3 100 kg en acier lédeburi-tique au chrome par exemple, on constate que la zone de peau n’estpas affectée par le brassage. Par contre, la zone de structure basal-tique est fortement réduite et la cristallisation est pratiquementéquiaxe dans presque toute la section du lingot. Les dendrites sonttrès courtes et la structure de l’acier est relativement homogène dela tête au pied du lingot. Ce procédé d’affinage, qui permet égalementd’éliminer les veines sombres, présente de l’intérêt pour tous lesaciers à outils de structure lédeburitique.

■ Germination hétérogène, inoculation : l’autre moyen d’actionpour multiplier les germes est d’inoculer l’acier liquide en intro-duisant, au moment de la coulée, des germes de cristallisation, sousforme de particules solides. Pour être efficaces, ces particulesdoivent avoir les propriétés suivantes :

— une température de fusion élevée ;— une vitesse de dissolution faible ou nulle ;— une masse volumique voisine de celle du métal liquide, et des

dimensions aussi réduites que possible (faible vitesse dedécantation) ;

— un réseau cristallin voisin de celui des premiers cristauxmétalliques qui sont susceptibles de se déposer.

Figure 16 – Solidification d’un lingot de 1 270 kg en acier X 200 Cr 12


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

On a essayé d’introduire des particules solides telles que de lapoudre de tungstène, ou des carbures, mais la solution réellementefficace est d’introduire des éléments susceptibles de réagir dansun bain liquide pour former, in situ, des précipités solides, trèsdivisés, qui peuvent servir de germes.

On peut ajouter, par exemple, juste avant la coulée, des élémentstels que le magnésium et le titane, qui forment, dans le bain métal-lique, des nitrures. Les résultats sont spectaculaires et se traduisentpar un affinage réel de la structure, à l’échelle macrographique(réduction de la longueur moyenne des dendrites, suppression dela zone ségrégée axiale des lingots, structure homogène danspratiquement tout le corps du lingot) et à l’échelle micrographique(meilleure répartition de l’ensemble des précipitations de carbures).

2.3.2 Refusion d’électrodes consommables

Le procédé de refusion sous laitier agit sur deux facteurs de qualitéqui sont :

— l’épuration de l’acier et l’abaissement très important du tauxet de la taille des inclusions, par un choix judicieux des laitiers,permettant d’obtenir une désulfuration d’environ 80 % et unedésoxydation d’environ 60 % ;

— l’affinage de la structure, dû au processus de solidificationdans la lingotière : la stabilité naturelle de la refusion et la présencedu bain de laitier agissant comme volant thermique garantissentl’obtention d’une cristallisation très régulière, ce qui confère aumétal une structure fine et relativement homogène de la peau aucœur du lingot, et contribue à une bonne isotropie des caractéris-tiques mécaniques.

La refusion sous laitier est également utilisée pour réaliser desélaborations sous pression d’azote jusqu’à des valeurs de 4 MPa(procédé PESR). Durant toute la durée de la refusion de l’électrodeconsommable, il y a alimentation de la zone liquide en particulesde nitrure de chrome ou de nitrure de silicium (figure 17). Il est ainsipossible de réaliser industriellement des lingots de plusieurscentaines de kilogrammes dont la teneur en azote est de 0,25 % pour5 % Cr et 1 % Si, et 0,35 % pour 15 % Cr. Les élaborations d’aciersà outils à forte teneur en azote en sont pour l’instant au stade duprédéveloppement industriel.

Il est possible également de réaliser des bimétaux d’acier rapideet d’acier à outils à haute teneur en chrome sur une âme en acierforgé par la technique de refusion annulaire sous laitier rotative(figure 18). La structure de la couronne en acier à outils est fine etrégulière, sans dendrites avec une liaison sur l’acier forgé exemptede défauts du type porosité ou fissures. Ces produits peuvent êtreutilisés directement sans corroyage comme cylindres de laminoiret il en a été réalisé actuellement plusieurs centaines, notammentau Japon, dans des gammes de diamètre comprises entre 250et 630 mm, avec des épaisseurs de zones refondues voisinesde 50 mm.

2.3.3 Métallurgie des poudres préalliées

Ce procédé permet, par un changement radical du processus desolidification et une augmentation très sensible de la vitesse derefroidissement, d’obtenir, sur des particules ayant des dimensionsmoyennes de 150 µm et maximales de 500 µm, des ségrégationsd’éléments d’alliage très atténuées. Il en résulte, dans le domainedes aciers à outils lédeburitiques tels que les aciers rapides ou lesaciers de la famille X 200 Cr 12, une réduction très nette de la tailledu réseau de carbures eutectiques.

Par compaction isostatique à chaud et forgeage, ou par simpleopération de filage, il est possible d’obtenir des produits par-faitement densifiés en effectuant ces opérations à une températuresuffisamment basse (par exemple, au-dessous de 1 150 oC) pouréviter tout grossissement des carbures.

La métallurgie des poudres est un moyen intéressant pour obtenirdes produits caractérisés par une forte concentration en carburesde vanadium, au-delà de la limite permise pour avoir une aptitudecorrecte à la transformation à chaud (§ 1.1.3). Il en est ainsi dans lecas des aciers à coupe rapide et des aciers à haute teneur en chromeoù des teneurs en vanadium comprises entre 6 et 10 % et des teneursen carbone comprises entre 1,6 et 2,5 % ont pu être obtenues avecdes répartitions de carbures MC parfaitement homogènes.

Il est également possible, par métallurgie des poudres classiques,de réaliser des outillages de forme complexe par moulage à injection.Les poudres de granulométrie moyenne 40 µm sont injectées avecun liant organique à une température comprise entre 150 et 180 oCsous une pression de 150 MPa, le liant est éliminé lors du cycle defrittage réalisé sous vide à 1 200 oC et la porosité résiduelle estréduite par l’application d’une pression gazeuse de 10 MPa à cettetempérature.

Figure 17 – Schéma du procédé de refusionsous laitier et sous pression

Figure 18 – Schéma du procédé de refusion annulairepour la réalisation de lingots bimétalliques


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

2.4 Outils moulés

Il y a toujours une production régulière d’outils moulés de mêmecomposition chimique que les nuances corroyées. Ces produitsprésentent de l’intérêt compte tenu des avantages économiques etde l’amélioration de l’état de surface rendue possible par certainsprocédés de fabrication (coulée en coquille). Les grandes vitessesde solidification permettent d’obtenir en peau des structures rela-tivement fines avec des orientations généralement favorables parrapport aux sollicitations des outils. Les taux de ségrégation deséléments d’alliage peuvent être atténués par des traitementsd’homogénéisation prolongée à des températures comprises entre1 100 et 1 200 oC, notamment dans le cas des aciers d’outillage àchaud à plus faible teneur en carbone. À titre indicatif, les taux deségrégation d’éléments d’alliage tels que le chrome et le moly-bdène peuvent être réduits de 50 % après un maintien de 20 hà 1 150 oC dans le cas d’une structure de cristallisation rela-tivement grossière de type équiaxe.

Dans le cas des aciers à outils lédeburitiques et des aciers rapides,la phase eutectique peut être sensiblement modifiée par des trai-tements de globulisation à haute température dans le domainecorrespondant à la réaction péritectique, c’est-à-dire entre 1 310et 1 330 oC pour les aciers rapides à haute teneur en tungstène, entre1 250 et 1 270 oC pour les aciers rapides à haute teneur en molybdèneet entre 1 230 et 1 240 oC pour les aciers à outils lédeburitiques. Cestraitements, dits de présphéroïdisation, entraînent la suppression dela phase eutectique lamellaire et son remplacement par une préci-pitation en réseau discontinu de carbures de taille relativementimportante et globulisés.

Un des gros développements actuels des aciers à outils utilisésà l’état moulé est constitué par les cylindres de laminoirs, employésaussi bien dans le laminage à chaud que dans le laminage à froid.Les aciers à outils à haute teneur en chrome et les aciers rapidesse substituent de plus en plus aux fontes nodulaires ou aux fontesblanches pour des raisons de productivité. Ces cylindres sontbimétalliques avec une âme en acier (ou éventuellement, quoiquede moins en moins, pour des problèmes de rigidité, en fonte nodu-laire) et une périphérie en acier à outils. Deux procédés sont utiliséspour réaliser ces produits, en dehors de la refusion annulaire souslaitier précédemment décrite (§ 2.3.2) : la centrifugation verticale etle procédé CPC (continuous pouring for cladding ).

■ La coulée centrifuge sur moule tournant permet d’obtenir unebonne liaison sans mélange entre les deux nuances des cylindrescomposites, ainsi qu’une structure de solidification exempte dedendrites et de porosités dans le matériau de l’enveloppe en aciersà outils. Dans ce procédé, les deux constituants du bimétal sont éla-borés successivement par centrifugation. Les épaisseurs d’acier àoutils sont voisines de 100 mm.

■ Le procédé CPC représenté schématiquement sur la figure 19 esten fait une coulée continue d’acier à outils autour d’un cylindre enacier de construction. Le bimétal est extrait de la lingotière refroidiepar circulation intérieure d’eau à une vitesse qui permet d’obtenirpour l’acier à outils une structure de solidification sans dendritesavec une très bonne liaison sur l’acier de construction. Des enve-loppes d’aciers à outils d’épaisseur maximale 100 mm et de diamètreextérieur compris entre 300 et 850 mm peuvent être réalisées sur deslongueurs allant jusqu’à près de 6 m. Les catégories d’aciers réa-lisées par ce procédé sont essentiellement des aciers à coupe rapideà forte teneur en carbures de vanadium.

2.5 Transformation des lingots

Les gammes de transformation peuvent varier selon les moyensdisponibles, mais toutes les gammes doivent tenir compte de pré-cautions dictées par les particularités des aciers à outils : forgeabilitésouvent réduite, sensibilité à la tapure, tendance à la coalescencedes carbures et au grossissement du grain.

■ Les cycles de chauffage des lingots doivent être déterminés avecsoin et surtout bien respectés. La conductivité thermique de telsaciers étant en général d’autant plus faible que l’acier est plus allié,les chauffages et refroidissements doivent être souvent lents(< 150 oC/ h), surtout le chauffage, avec des paliers permettant uneégalisation de la température dans toute la masse. Dans le cas desaciers lédeburitiques au chrome et des aciers rapides, le recuit dulingot est recommandé pour écarter tout risque de tapures lors decette opération de chauffage.

Le chauffage n’a pas seulement pour but d’atteindre la tempéra-ture visée, mais de la maintenir pendant une durée suffisammentlongue pour assurer une certaine homogénéisation de la structure,par dissolution des carbures dans la phase austénitique et diffu-sion des éléments d’alliages ségrégés.

La température maximale à laquelle le métal peut être porté doitêtre déterminée avec soin, surtout lors des passes de dégrossissagedu lingot, compte tenu des hétérogénéités inévitables entre la peauet le centre. D’une manière générale, les aciers de travail à chaudpeuvent être chauffés jusque vers 1 200 oC, les aciers de travail àfroid et les aciers rapides jusque vers 1 080 à 1 150 oC, la températureétant d’autant plus basse que les teneurs en carbone et élémentscarburigènes sont plus importantes. La fourchette de températurede forgeage des aciers rapides est relativement étroite (de l’ordrede 200 oC au plus) en raison de la grande résistance à la déformationà chaud de ces derniers. Pour ces aciers, les gammes de trans-formation optimales consistent à appliquer un nombre réduit depasses avec un taux de déformation important.

■ Pour les aciers au chrome lédeburitiques et pour les aciers rapidesqui présentent dans le lingot un réseau de carbures eutectiques,l’opération de forgeage doit être conduite de manière à aboutir à unerépartition des carbures la plus homogène possible. Le réseau decarbures eutectiques est brisé si l’on applique au lingot un taux decorroyage minimal de 8.

Figure 19 – Représentation schématique du procédé CPCutilisé au Japon pour la réalisation de cylindres de laminoirdont la partie utile est en acier rapide moulé


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

Dans le cas des aciers à outils qui ne présentent pas, à l’état brutde coulée, de réseau de carbures, un taux de corroyage minimalde 5 est souvent suffisant. Ce taux peut d’ailleurs être réduit à 3lorsque le lingot est obtenu par refusion d’électrode consommable.

■ Dans le cas où il est impossible d’obtenir, à partir du lingot, ladimension du produit désiré avec le taux de corroyage minimal pouravoir une structure correcte, on réalise des blocs par étirage et refou-lement (blocs contreforgés). Cette technique a pour but d’assurer surla périphérie du bloc une structure correcte avec un fibrage parallèleà la peau, à condition que le taux de refoulement soit suffisant (supé-rieur ou égal à 2,5).

■ Après forgeage, les produits sont refroidis lentement (en vermi-culite) et recuits (article Traitements thermiques des aciers à outils.Guide de choix [M 1 137] dans ce traité) avant d’être réchauffés pourl’opération de laminage. Les aciers très difficiles à forger sont, à cestade, contrôlés aux ultrasons et parfois entièrement meulés pouréliminer toute décarburation. L’opération de meulage doit êtrepratiquée avec beaucoup de précautions, la faible conductivité ther-mique des nuances alliées risquant de produire des échauffementslocaux susceptibles d’entraîner des tapures.

■ Après laminage, opération qui nécessite les mêmes précautionsau niveau du chauffage et de la température de maintien que leforgeage, les billettes sont refroidies très lentement, recuites,contrôlées aux ultrasons et meulées pour éliminer la décarburationsuivant la nature du produit final :

— meulage total pour la réalisation de fils ou produits danslesquels la décarburation doit être nulle ;

— meulage moyen pour produits à livrer écroûtés.

Certaines nuances d’aciers à outils peuvent être transforméesdirectement par laminage, toutefois le mode de transformation a sonimportance, notamment pour les aciers contenant un réseau decarbures lédeburitiques important. Dans ce cas, la forgeabilité estmédiocre à l’état brut de coulée et s’améliore avec le taux decorroyage, ce qui nécessite l’utilisation de faibles vitesses de défor-mation pour les passes d’ébauchage (< 10 %/s), donc un début detransformation du lingot à la forge ; de plus, le forgeage, par sonmode d’action (déformation en profondeur), conduit, à taux decorroyage égal, à une destruction plus rapide des réseaux de car-bures que le laminage.

■ Le tréfilage constitue le prolongement naturel du laminage àchaud pour l’obtention de petits diamètres, toutefois cette opérationest délicate en raison de la faible capacité de déformation des aciersà outils. Cette opération ne peut être réalisée que sur des structuresparfaitement globulisées.

● Par opération de tréfilage à froid, l’augmentation de dureté estdéjà très importante pour des taux de déformation de 10 %. Celaentraîne la nécessité d’effectuer de nombreux recuits intermédiairesau cours de la réalisation des fils. Ces matériaux doivent demeurerparfaitement exempts de décarburation ou de recarburation, ce quiexige, pour le recuit, l’utilisation d’atmosphères parfaitementcontrôlées.

● Par opération de tréfilage à chaud, vers 500 à 600 oC, les phéno-mènes de restauration et de recristallisation se produisent à unevitesse suffisante pour compenser le durcissement par écrouissage.Le fil demeure plus ductile. La lubrification constitue le problèmeessentiel du tréfilage à chaud car rares sont les lubrifiants (articlespécialisé [M 645] dans le traité présent) qui conservent leurspropriétés à ces températures.

■ Parmi les procédés de transformation à chaud, il est bon designaler l’extrusion qui permet, en une seule opération, d’obtenir unedimension donnée d’outil à partir d’une billette forgée ou laminée.Les ébauches, chauffées par induction ou en bain de sels, sontextrudées sous pression au travers d’une filière de forme et lesproduits obtenus sont refroidis très lentement par exemple sousvermiculite.

2.6 Traitement de recuit

Le but du recuit est de donner à l’acier une structure et un niveaud’adoucissement tels que sa mise en œuvre soit plus aisée ; lesconséquences attendues de ce traitement sont donc :

— un usinage plus facile ;— une mise en forme plus aisée par transformation mécanique ;— une structure appropriée aux traitements thermiques

ultérieures.

Les principaux types de recuit sont décrits dans l’article Traite-ments thermiques des aciers à outils. Guide de choix [M 1 137].Signalons simplement que cette opération doit s’accompagner d’uncertain nombre de précautions au niveau des atmosphères utiliséesdans les fours, pour éviter toute décarburation. On emploie, le plussouvent, des fours à atmosphère contrôlée contenant soit de l’azote,soit des mélanges gazeux dont le potentiel carbone est ajusté àl’activité du carbone de l’acier.

2.7 Contrôle des produits moulés,forgés et laminés

Un niveau élevé de qualité ne peut être obtenu d’une façonrégulière que si, aux différents stades des opérations de fabrication,sont associés des contrôles sévères.

■ Contrôle des états de surface : on utilise le ressuage et le contrôlemagnétique.

■ Contrôle de la santé interne : il est réalisé en général par ultra-sons ou par courants de Foucault.

■ Contrôle de la qualité du produit : les produits doivent, aprèsrecuit, satisfaire à un certain nombre d’exigences métallurgiquestelles que la grosseur de grain issu de la structure austénitique la plusfine possible, une bonne répartition des carbures, l’absence dedécarburation... Il est alors nécessaire d’effectuer un contrôle macro-graphique et micrographique sur une plaquette découpée dans leproduit fini. La décarburation, en particulier, peut être mesurée avecprécision par la méthode dite de l’anneau bleu, qui est une attaqueau nital 4 % de la structure recuite. Cette méthode repose sur lesteintes d’interférence créées à partir des carbures dont l’écartementmoyen est en relation avec le taux de carbone de la matrice ferritique(article Métallographie [M 90] dans le présent traité). Elle s’appliquetrès bien aux aciers d’outillage à froid à haute teneur en carbone etaux aciers rapides. Les résultats obtenus sont en bonne corrélationavec ceux que l’on peut avoir avec d’autres méthodes telles quel’analyse chimique ou la filiation de dureté à partir de la surface aprèstraitement thermique de trempe et revenu. Signalons, par ailleurs,que les couches décarburées peuvent être également détectées pardes techniques non destructives (ultrasons, courants de Foucault) etque des procédures de contrôle de billettes ont été récemment misesau point pour les aciers à outils, à l’aide de capteurs spécifiques.

D’une manière générale, les contrôles macrographique et micro-graphique sont très importants car ils permettent d’évaluer lesrisques de fragilité d’un produit lors de son utilisation. Dans denombreux cas, producteurs et utilisateurs ont mis au point ensembleun cahier des charges avec des structures types qui prennent encompte les points suivants :

— importance de la précipitation des carbures hypoeutectoïdesaux joints des grains (famille des aciers d’outillage à chaudX 38 CrMo V 5 par exemple) ;

— répartition, taille et forme des carbures lédeburitiques (aciersd’outillage à froid de la famille X 200 Cr 12 et aciers rapides).

L’établissement de corrélations entre ces structures types et lespropriétés d’emploi des aciers constitue à terme un documentprécieux aussi bien pour l’aciériste que pour l’utilisateur.


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3. Critères de mise en œuvrePour résister aux sollicitations, d’ailleurs très diverses, qu’ils

supportent au cours du travail, les outils doivent présenter :— un niveau de dureté élevé ;— une bonne résistance à l’usure ;— une ductilité suffisante.

Contrairement aux pièces mécaniques qui travaillent le plus sou-vent par toute leur masse, les outils sont souvent sollicités par leurpériphérie et c’est donc en surface que ces trois propriétés doiventatteindre leur valeur maximale. Dans la plupart des cas, ce sontd’ailleurs les dégradations de surface qui limitent la durée de viedes outillages. On voit donc l’intérêt que peuvent présenter les condi-tions de mise en œuvre dans le cas des outillages et notamment :

— l’usinage ;— le traitement thermique et le traitement de surface ;— la rectification ;— l’obtention d’une texture superficielle.

3.1 Usinage des ébauches

Nota : le lecteur pourra utilement consulter l’article Usinage et usinabilité [M 725] dansle présent traité et l’articleOutils coupants [B 1 659] dans le traité Génie mécanique.

3.1.1 Surépaisseurs d’usinage

Dans la plupart des cas, les outils sont fabriqués à partir de produitslaminés ou forgés. Des défauts de forgeage et de laminage, destraces de décarburation peuvent subsister à la surface de ces pro-duits et il est donc nécessaire de prévoir, à l’usinage, un enlèvementde matière suffisant pour obtenir une surface parfaitement saineaprès ébauchage de l’outil.

Dans le choix des surépaisseurs d’usinage, les utilisateurs peuventse guider sur les indications des catalogues d’aciérie et égalementsur les deux normes françaises NF A 45-103 et NF A 45-104 quidéfinissent les tolérances dimensionnelles des produits laminés etforgés en aciers à outils. On trouve notamment dans ces deuxdocuments des tableaux relatifs aux ronds, carrés et plats, dont unexemple relatif aux ronds laminés est donné à titre indicatif dansle tableau 2.

Pour chaque dimension nominale, ces tableaux indiquent lestolérances de forgeage ou de laminage, la surépaisseur minimaled’usinage et la cote maximale de la pièce usinée garantissant unesurface exempte de tout défaut. Naturellement, il convient que lasurépaisseur d’usinage soit répartie uniformément sur toutes lesfaces du produit.

(0)

Tableau 2 – Dimensions recommandées et surépaisseurs d’usinage pour ronds laminés (1)

Dimension nominale d ToléranceSurépaisseur minimale

d’usinage (2)

Diamètre maximal de la pièce usinée avant

traitement thermiqueValeurs normales (3)

(mm) (mm) (mm) (mm)

5,5 ± 0,20 1,0 4,5 4,56 ± 0,20 1,0 5 58 ± 0,20 1,0 7 6

10 ± 0,20 1,0 9 812 ± 0,20 1,0 11 1014 ± 0,20 2,0 12 1218 ± 0,20 2,0 16 1622 ± 0,22 2,0 20 2028 ± 0,28 3,0 25 2535 ± 0,35 3,0 32 3245 ± 0,55 3,0 42 4055 ± 0,65 4,0 51 5068 ± 0,78 4,0 64 6385 ± 0,95 5,0 80 8095 ± 1,05 5,0 90 90

110 ± 1,20 6,5 103,5 100120 ± 1,30 6,5 113,5 112135 ± 1,45 8 127 125150 ± 1,60 8 142 140170 ± 1,80 10 160 160190 ± 2,00 10 180 180220 ± 2,30 12 208 200240 ± 2,50 12 228 224265 ± 2,75 14 251 250295 ± 3,05 14 281 280315 ± 3,25 14 301 300

(1) D’après la norme NF A 45-103.(2) Une épaisseur minimale égale à la moitié des valeurs de la surépaisseur d’usinage devra être enlevée uniformément sur toute la circonférence.(3) Ces valeurs données à titre indicatif sont définies dans les normes NF X 01-001 et NF X 01-002.


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3.1.2 Usinage à l’outil

La fabrication d’outils nécessite, le plus souvent, des opérationsd’usinage complexes et précises, et le volume de copeaux enlevépar rapport au volume total de la pièce peut être grand, conditionspour lesquelles le coût d’usinage devient un élément très importantdu coût total. Le prix de revient d’un outil dépend donc beaucoupde la plus ou moins grande facilité d’usinage de l’acier utilisé. À titred’exemple, on admet en général que dans une matrice d’estampageou une fraise en acier rapide, le coût du métal représente au maxi-mum 25 % du coût total. Pour certains outils de forme trèscompliquée, ce pourcentage peut devenir inférieur à 10 % et dansce cas, le coût de l’opération d’usinage peut atteindre 70 % du coûttotal. Au même titre que les propriétés d’emploi, l’usinabilité del’acier doit alors intervenir dans le choix d’une nuance.

3.1.2.1 Usinage à l’état recuit

Dans le cas des aciers à outils, la plupart des éléments d’alliageutilisés, en particulier le chrome, le tungstène, le molybdène et levanadium, qui sont avides de carbone, ont un effet néfaste sur l’usi-nabilité. Cet effet est influencé par la forme, la taille et la répartitiondes carbures dans la microstructure. Les aciers à outils sont en géné-ral plus faciles à usiner lorsqu’ils ont une structure recuite avec descarbures sphéroïdisés et bien répartis dans la matrice. Dans le casdes aciers à outils ayant moins de 0,75 % de carbone, les carburessphéroïdisés ont tendance à coalescer, ce qui est plutôt défavorablepour l’usinabilité (difficulté d’obtention de bons états de surface) etla structure optimale correspond à un mélange de perlite et de car-bures globulisés obtenu par contrôle du recuit (article Traitementsthermiques des aciers à outils. Guide de choix [M 1 137]).

Les principales opérations que l’on effectue : tournage, fraisageet perçage avec des outils en acier rapide ou en carbure peuventêtre reproduites en laboratoire, ce qui permet d’obtenir, avec lesdifférents critères d’usure, un classement et un indice d’usinabilité

pour les différents groupes d’aciers à outils, en se fixant commebase 100 les opérations d’usinage correspondant à un acier peuallié à 1 % de carbone.

Ce classement apparaît dans le tableau 3. L’indice d’usinabilitéest basé sur les vitesses moyennes de coupe obtenues par tour-nage, fraisage et perçage, avec des outils en acier rapide pour lefraisage, avec des outils en acier rapide et en carbure pour le tour-nage et le perçage.

Comme on peut le voir sur ce tableau, les différences d’usinabilitéà l’état recuit entre les principaux groupes sont beaucoup plus impor-tantes que ce que pourraient laisser prévoir les écarts de dureté. Cesdifférences doivent être attribuées aux carbures de chrome, tung-stène, molybdène et vanadium qui, par leur très fort pouvoir abrasif,contribuent à l’usure des outils de coupe.

L’usinabilité des aciers à outils à l’état recuit dépend donc essen-tiellement de leur teneur en carbone et en éléments carburigènes.Dans le cas des aciers les plus résistants à l’usure, tels que les acierslédeburitiques au chrome ou les aciers rapides, des additions desoufre (0,10 à 0,15 % en masse) augmentent l’indice d’usinabilité etaméliorent l’état de surface des pièces usinées. Ce dernier point aune grande importance car il permet d’éviter, dans certains cas, l’opé-ration de rectification finale notamment lorsque les outils sont traitésen bain de sel. La ductilité de tels aciers, réputés fragiles, n’est pastrès affectée par ces additions de soufre.

Les inclusions d’oxydes ont une influence très grande sur l’usi-nabilité des outils et cette influence dépend du type d’inclusion etde la nature de l’outil coupant. Avec des outils carbures par exemple,les inclusions dures de silice et d’alumine affectent l’usinabilité desmatériaux alors que des inclusions dont la température de fusionest plus basse, comme les oxydes ou silicates de calcium, l’amé-liorent. Cette influence du type d’oxyde sur le niveau d’usinabilitéest beaucoup moins nette lorsque les outils coupants sont en céra-mique avec des vitesses de coupe plus élevées. (0)

Tableau 3 – Indice approximatif d’usinabilité des aciers à outils à l’état recuit (1)

Type d’acier Symbole AFNORDureté Brinell

État recuitIndice

d’usinabilité

Aciers au carbone ...........................................................C 105 E2 U (2) 160 à 200 100

C 120 E3 U 160 à 200 100

Aciers au silicium............................................................51 Si 7 190 à 220 60 à 70

45 SiCrMo 6 190 à 220 60 à 70

Aciers au tungstène ........................................................ 45 WCrV 8 180 à 220 60 à 70

Aciers au chrome résistant à l’usure............................. 100 Cr 6 160 à 200 65 à 75Aciers au manganèse ..................................................... 90 MnV 8 180 à 210 45 à 60

Aciers au chrome à très haute résistance à l’usure .....X 100 CrMoV 5 200 à 230 45 à 60X 160 CrMoV 12 220 à 260 30 à 40

Aciers au chrome pour travail à chaud ......................... X 38 CrMoV 5 190 à 230 60 à 70Aciers au tungstène pour travail à chaud ..................... X 30 WCrV 9 210 à 240 45 à 55Aciers rapides au tungstène .......................................... HS 18-0-1 220 à 260 40 à 50Aciers rapides au molybdène ........................................ HS 6-5-2 210 à 240 40 à 50

Aciers rapides surcarburés ............................................HS 6-5-4 220 à 260 35 à 40HS 12-1-5-5 240 à 280 25 à 30

(1) Classement basé sur les critères moyens d’usure au cours d’essais de tournage, fraisage, perçage avec outils en acier rapide et en carbure.(2) Il s’agit de la famille des aciers C 80 à C 105 E 2 U ; C 105 E 2 U V 1 et C 120 E 3 U (article Données numériques sur les aciers à outils [M 332] dans ce traité).


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3.1.2.2 Usinage à l’état traité

Dans le cas des aciers d’outillage à chaud utilisés comme moulesou comme matrices de forge et d’estampage, le métal peut être livrépar l’aciériste à l’état prétraité. Les essais classiques d’usinabilitémontrent qu’il est possible de faire un classement des principalesnuances. Pour ces aciers, ayant des teneurs massiques en carbonecomprises entre 0,20 et 0,60 %, les critères d’usinabilité semblentêtre indépendants de la composition chimique et n’être fonction quedu niveau de dureté et de la teneur en soufre. Nous donnons à titred’exemple, sur la figure 20, l’évolution de l’indice d’usinabilité desprincipales nuances d’aciers d’outillage à chaud (X 38 CrMo V 5,55 NiCrMo V 7, 55 CrNiMo V 4, 40 NiCrMo 16, 20 NiMo 34-13 ...) enperçage et fraisage avec des outils en acier rapide.

Les résultats d’essais que nous venons d’évoquer permettent deproposer un classement sommaire de l’usinabilité des différentsaciers d’outillage. Il est bien évident qu’un tel classement n’est rigou-reusement valable que dans les conditions pour lesquelles il a étéétabli (type d’usinage, nuance d’outil, durée des essais). Il ne consti-tue qu’une indication générale pour l’utilisateur qui ne pourra se faireune opinion précise de l’usinabilité d’une nuance qu’après l’avoirexpérimentée en atelier.

Des progrès substantiels ont été réalisés ces dernières annéesdans le domaine des outils coupants. À titre d’exemple, dans le casd’usinage d’aciers à matrices dont le niveau de résistance est supé-rieur à 1 400 MPa, il a été possible de passer de vitesses de coupevoisines de 150 m/min à des vitesses de coupe de 500 m/min sansdégrader l’état de surface des pièces usinées par l’utilisation d’outilscoupants en CBN (nitrure de bore cubique). Malgré le coût élevé dece nouveau matériau, sa très grande longévité, ainsi que la possibilitéde réaffûter les outils ont permis d’abaisser le coût d’usinage parrapport à l’utilisation de cermets revêtus.

En ce qui concerne la conduite de l’usinage à l’outil, il est bon denoter que lorsqu’on se trouve en présence d’un outillage de formecompliquée, avec des épaisseurs de métal résiduel très variables,un usinage trop brutal peut engendrer des tensions superficiellesnon négligeables dont la libération au cours du chauffage précé-dant la trempe peut être un facteur important de déformations auxtraitements.

Dans beaucoup de cas, il suffit de prévoir, en fin d’usinage,l’exécution des dernières passes avec profondeur et avance réduitespour éliminer les couches écrouies pendant l’ébauchage (articleDonnées numériques sur les aciers à outils [M 332]). Dans les casles plus difficiles, il est par contre nécessaire de prévoir, entreébauche et finition, un revenu de détensionnement qui peut êtrepratiqué, sur la majorité des nuances et sans grand risque dedécarburation, par maintien de 1 h à 2 h à une température compriseentre 650 et 700 oC suivi d’un refroidissement lent (au mieux, unrefroidissement à l’air).

3.1.3 Usinage sans enlèvement de copeaux

Dans le cas des aciers livrés par les aciéristes à des niveaux derésistance supérieurs ou égaux à 1 300 MPa, pour lesquels il estnécessaire de réaliser des formes complexes (empreintes pour lesmoules) ou des textures particulières (cylindres de laminoir à froid)des moyens d’usinage non conventionnels ont été développés : nousciterons notamment, l’électroérosion, l’électrochimie, le faisceaud’électrons et le laser.

3.1.3.1 Usinage par électroérosion

Sous sa forme la plus répandue dans l’industrie, ce procédé estun usinage par reproduction négative de la forme d’une électrodeoutil. Il est par conséquent possible d’usiner des formes complexes,de profondeur ou de section variables, qu’il est difficile d’exécuterpar les procédés d’usinage classiques. L’usinabilité des matériauxpar électroérosion ne dépend pas de leur état recuit ou traité, maisseulement de leurs propriétés thermophysiques telles que la conduc-tivité et la diffusivité thermiques, les température et chaleur latentede fusion. La pièce n’est pratiquement soumise à aucun effortmécanique, car l’enlèvement de matière résulte des actions ther-mique et dynamique d’étincelles jaillissant entre la pièce usinée etl’électrode outil. Au cours de cette opération, il y a un apport ther-mique important qui se traduit par une fusion de la surface avecvaporisation partielle. La structure ainsi obtenue est caractérisée parun enrichissement en carbone provenant du diélectrique et uneretrempe du matériau sur des profondeurs qui peuvent atteindreplusieurs dizaines de micromètres pour donner des couches trèsfinement cristallisées, de haute dureté et dont la rugosité a été aug-mentée. Le taux d’élimination de matière suit une loi en racine carréede l’énergie par pulse ; il est plus important d’un facteur comprisentre 1,5 et 3 dans le cas d’électrodes en graphite par rapport à desélectrodes en cuivre.

Figure 20 – Indice d’usinabilité des aciers d’outillage à chaud(toutes nuances confondues), en fonction de leur duretéet de leur teneur massique en soufre


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

La rugosité de surface est fonction de la racine cubique de l’énergiepar pulse, elle est plus importante avec des électrodes en graphite(figure 21). Dans le cas des matériaux à haute teneur en chrome eten carbone, ainsi que dans les aciers rapides, la couche obtenue ensurface peut être relativement fragile et conduire dans certains casà des fissurations. Il y aura lieu, dans ce cas, d’adapter les conditionsde décharge à ces matériaux et cela d’autant plus qu’il y a un transfertdes constituants de l’électrode vers la surface qui dépend très étroi-tement de l’énergie par pulse.

Dans le domaine des cylindres de laminage à froid où destransferts de rugosité sur les produits laminés sont nécessairespour des problèmes d’aptitude à l’emboutissage, l’électroérosionpermet d’obtenir des rugosités beaucoup mieux contrôlées que legrenaillage (figure 22). D’une manière générale, les hauteurs depics de rugosité augmentent et le nombre de pics par centimètrediminue avec l’augmentation de la densité de courant par pulse. Ilest parfaitement possible d’adapter l’intensité de la décharge et ladurée des pulses à la nuance d’acier à outils pour obtenir la texturedésirée. Dans le cas des aciers à haute teneur en chrome et desaciers à coupe rapide, le procédé d’obtention de texture par élec-troérosion peut entraîner un abaissement de la dureté superficiellepar suite de l’augmentation du taux d’austénite résiduelle dans lazone affectée thermiquement. Il est possible de transformer cetteausténite résiduelle par voie thermique où éventuellement par voiemécanique en service pour retrouver, voire dépasser, le niveau dedureté du cylindre non texturé.

3.1.3.2 Usinage par électrochimie

Ce procédé consiste à reproduire la forme d’une électrode outildans la pièce à usiner. Le métal est éliminé par dissolution électro-chimique. Ce procédé permet d’usiner des gravures de formescomplexes quel que soit le niveau de résistance du bloc d’acier, avecune bonne reproductibilité, un bon état de surface et une inaltérationde la structure métallurgique superficielle des pièces usinées, maisà condition d’adapter à l’acier la nature de l’électrolyte, sa tempé-rature, les conditions d’avance et les conditions électriques. Lacomposition chimique de l’acier influe beaucoup sur ces paramètreset notamment sur les conditions d’avance de l’électrode outil : leséléments d’alliage qui réduisent le plus l’aptitude à l’usinage parélectrochimie sont le silicium, le chrome et le molybdène ; en effet,ces éléments entraînent la formation de couches passives trèsrésistantes. Les ségrégations d’éléments d’alliage que l’on peut avoirsur les blocs influent aussi défavorablement sur les conditionsd’usinage, notamment dans le cas des aciers à outils fortement alliés.

3.1.3.3 Autres procédés d’usinage non conventionnels

On peut citer à titre d’exemple deux moyens d’obtention detextures superficielles sur les cylindres de laminage à froid : le laseret le faisceau d’électrons. Il s’agit dans les deux cas d’apporter,pendant un pulse donné, suffisamment d’énergie pour vaporiser lematériau et créer ainsi une rugosité ; la vaporisation de métal estfacilitée par l’utilisation de basses pressions résiduelles dans le casdu faisceau d’électrons et une oxydation contrôlée dans le cas dulaser. Comme dans le cas de l’électroérosion, il y a une couche super-ficielle affectée par l’apport d’énergie qui peut conduire à des aug-mentations de dureté sous réserve de bien adapter l’énergie parpulse à la nuance d’acier à outil considérée.

3.2 Traitement thermique

Le traitement thermique constituant une étape essentielle pourl’obtention des propriétés d’emploi des aciers à outils, celui-ci faitl’objet d’un article spécial dans ce traité : Traitements thermiques desaciers à outils. Guide de choix [M 1 137], auquel nous renvoyons lelecteur.

3.3 Aptitude à la rectification

3.3.1 Influence de la composition chimiquesur la meulabilité

L’aptitude à la rectification d’un acier à outils varie dans de grandesproportions selon la composition chimique de l’acier, le type et leprofil de meule utilisés. Cette caractéristique peut être chiffrée d’unemanière globale par un indice de meulabilité, qui représente, dansdes conditions données de rectification, le rapport du volume de

Figure 21 – Rugosité d’un acier à outils au chromeen fonction de la racine cubique de l’énergie par pulse E

Figure 22 – Schéma du dispositif Spark-Tec pour réaliserdes textures par électroérosion sur un cylindre de laminoir


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métal enlevé au volume d’abrasif utilisé. L’acier sera d’autant plusfacile à rectifier que ce rapport sera plus élevé. Cet indice ne tientabsolument pas compte de la sensibilité de l’acier à la rectification(apparition de tapures au cours du meulage) et de la plus ou moinsgrande facilité d’obtention d’un bon état de surface.

L’aptitude à la rectification d’un acier à outil est d’autant plus faibleque ce dernier contient une plus grande quantité de phases duresde carbures dans sa microstructure.

■ Le vanadium est l’élément dont l’action néfaste est la plusmarquée et tous les aciers contenant plus de 1 % de cet élément sontdifficiles à rectifier (1 % de vanadium correspondant à peu près aupourcentage maximal mis en solution dans l’austénite aux tempéra-tures de trempe voisines de 1 200 oC). Les carbures de vanadiumsont pratiquement aussi durs que les particules d’alumine utiliséescomme abrasifs (≈ 3 500 Knoop). La figure 23 montre l’influence duvanadium sur l’indice de meulabilité, pour un niveau de duretédonné. Comme on peut le constater sur cette courbe, il n’y a pas dedifférence très sensible entre les aciers au tungstène et les aciers aumolybdène. Dès que la teneur en vanadium dépasse 3 %, les indicesde meulabilité sont inférieurs à l’unité, ce qui signifie que la quantitéd’abrasif utilisée est plus importante en volume que la quantité demétal enlevé. Les opérations de rectification deviennent alors extrê-mement délicates, ce qui a pour conséquence de freiner le dévelop-pement des aciers rapides surcarburés pourtant très intéressantspour leurs propriétés de résistance à l’usure. Il est bon de signaler àce sujet les gros progrès réalisés depuis quelques années en matièred’abrasifs pour rectifier les matériaux de haute dureté avec desparticules dures sans trop affecter thermiquement la surface. Il s’agit,d’une part de céramiques vitrifiées poreuses avec des porositésdébouchantes, d’autre part d’abrasifs à base de nitrure de borecubique qui ont un très grand pouvoir de coupe en raison de leurhaute dureté.

■ Le chrome a également un effet défavorable sur l’aptitude aumeulage de l’acier, comme le montre la figure 24 donnant, pour unedureté de 60 HRC environ, les indices de meulabilité des principauxaciers au chrome ; l’augmentation des difficultés de rectificationlorsque la teneur en chrome augmente est liée à l’apparition descarbures M7C3 à base de chrome et de fer, dont la dureté est légè-rement inférieure à celle des carbures de vanadium.

■ Le soufre semble avoir un effet favorable sur l’aptitude à la rectifi-cation ; nous donnons, à titre d’exemple, dans le tableau 4 quelqueschiffres relatifs aux aciers rapides. L’amélioration apportée par lesoufre semble plus importante lorsque l’acier contient plus decarbures de vanadium dans sa microstructure. (0)

Tableau 4 – Influence du soufre sur l’indiced’aptitude au meulage à sec des aciers rapides

AcierIndiceà l’étatnormal

Indiceà l’état

resulfuré

Pour-centage

d’augmen-tation

HS 6-5-2 (trempé à 1 220 oC) ............ 17 34 100

HS 6-5-4 (trempé à 1 220 oC) ............ 2,9 9,5 230

HS 6-5-2 HCtrempé à

1 200 oC... 5,7 18,7 230

1 230 oC... 5,5 15,4 180

1 250 oC... 5,5 14,6 165

Figure 23 – Influence du vanadium sur l’indice de meulabilité (aptitude à la rectification) des aciers à outils,pour un niveau de dureté constant (64 à 65 HRC)

Figure 24 – Influence du chrome sur l’indice de meulabilitédes aciers à outils, pour un niveau de dureté constant (60 HRC)


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

3.3.2 Influence du niveau de duretésur l’aptitude à la rectification

En général, l’aptitude à la rectification de l’acier varie en sensinverse de sa résistance à l’usure et le classement général que nousdonnons dans le tableau 5 indique bien cette tendance : les aciersles plus difficiles à rectifier sont les aciers rapides surcarburés(exemple : HS 12-1-5-5) dont les propriétés de résistance à l’usureet à l’abrasion sont connues. L’indice de meulabilité peut varier dansdes proportions de 1 à 100 entre les nuances les plus faciles et lesplus difficiles à rectifier.

L’indice de meulabilité d’un acier à outils décroît dans l’ensemblelorsque le niveau de dureté croît, mais cette variation dépend beau-coup de la composition chimique de l’acier (tableau 5). Dans le casd’un acier difficile à rectifier contenant beaucoup de carbures devanadium, l’abaissement du niveau de dureté influe beaucoup plussur l’augmentation de l’indice de meulabilité que dans le cas d’unacier facile à rectifier. Les courbes de la figure 25 montrent que, pourl’acier rapide surcarburé HS 12-1-5-5, l’indice de meulabilité passede 10 à l’état recuit (≈ 23 HRC) à 0,6 à l’état traité (≈ 60 HRC), alorsque, pour les mêmes niveaux de dureté, l’indice du 90 Mn V 8 passede 60 à 30. (0)

Le niveau de dureté de l’acier influe également sur l’état de surfacede l’outil après rectification. Pour un type d’abrasif donné, la rugositéde l’acier après rectification croît lorsque son niveau de duretédécroît. Ce phénomène est plus prononcé sur les aciers peu alliésque sur les aciers très riches en éléments carburigènes.

Comme nous l’avons indiqué précédemment dans le cas de l’usi-nabilité (§ 3.1.2), les résultats que nous venons de présenterpermettent de proposer un classement sommaire de l’aptitude à larectification des différents aciers d’outillage. Ce classement n’estvalable que pour un abrasif donné, un profil de meule donné et desconditions d’essai bien déterminées. Il ne peut être qu’une indicationd’ordre métallurgique pour l’utilisateur. Quelques résultats plusprécis sont fournis dans l’article [M 332] Données numériques surles aciers à outils dans ce traité.

3.3.3 Influence de la taille des carburessur l’aptitude à la rectification

La taille des carbures a une influence déterminante sur l’aptitudeà la rectification des aciers, notamment lorsque ces dernierscontiennent des quantités importantes de carbures de vanadium.Une diminution de la taille de ces carbures entraîne une augmen-tation sensible de l’aptitude à la rectification de l’acier. Ce résultata été mis en évidence d’une manière spectaculaire par l’utilisationde la métallurgie des poudres. La figure 26 montre l’évolution del’indice de meulabilité des aciers HS 6-5-2 (M2) et HS 12-1-5-5 (T15),conventionnels (M2 et T15) et obtenu par la métallurgie des poudres(T15), en fonction du niveau de dureté HRC. L’acier rapide surcarburéobtenu par métallurgie des poudres, dans les conditions opératoiresutilisées, a un indice de meulabilité voisin de celui de l’acier rapideclassique HS 6-5-2, et cela malgré une différence de dureté d’aumoins 2 HRC. Ce résultat est confirmé par la pratique industrielle.

3.3.4 Incidents au cours de la rectification

Lorsque l’opération est conduite avec une meule incorrectementdressée ou avec une meule à liant trop dur ou bien dans des condi-tions incorrectes de vitesse et d’avance, le métal n’est pas coupéet des frottements importants apparaissent. Il en résulte un échauf-fement des couches superficielles lors du passage de la meule etun refroidissement très rapide par conduction qui entraîne sur lasurface des pièces un système de contraintes de traction.

Tableau 5 – Aptitude au meulage des aciers à outils

Aptitudeau meulage

Aciers

Faible

Aciers rapides surcarburés à hautes teneurs en vanadium et cobalt : HS 2-9-1-8 ; HS 12-1-5-5 ; HS 10-4-3-10 ; HS 7-6-3-12.Aciers rapides à haute teneur en vanadium : HS 6-5-3 ; HS 6-5-4.

Moyenne

Aciers lédeburitiques au chrome : X 200 Cr 12 ; X 160 CrMoV 12.Aciers à 5 % Cr : X 100 CrMoV 5.Aciers rapides classiques : HS 6-5-2 ; HS 18-01, HS 2-9-2.

Bonne

Aciers au manganèse : 90 MnV 8.Aciers au silicium : 51 Si 7.Aciers au carbone : C 105 E 2 U (1).Aciers au tungstène : 45 WCrV 8.Acier au chrome : 100 Cr 6.

(1) Il s’agit de la famille des aciers C 80 à C 105 E 2 U, C 105 E 2 U V 1et C 120 E 3 U.

Figure 25 – Influence du niveau de duretésur l’indice de meulabilité des aciers à outils


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

Dans les cas graves, ce phénomène se traduit par la formationde très fines tapures, difficiles à mettre en évidence par ressuage,mais révélées par attaque micrographique au nital (figure 27), dansle cas d’un acier du type 90 Mn V 8). L’échauffement superficiel peutêtre parfois suffisamment important pour entraîner la formationd’une couche retrempée, naturellement très fragile et source d’écail-lages en service.

Il est donc essentiel de suivre l’opération finale de rectificationavec le plus grand soin et cela tout particulièrement dans les nuan-ces d’aciers hautement chargées en carbone, chrome et vanadium.

3.4 Traitements de surface

Cette partie est largement décrite dans l’article Traitements super-ficiels [M 1 135]. Nous renverrons donc le lecteur à ce document spé-cifique où toutes les catégories de traitements de surface (traitementthermique, traitement thermochimique, dépôts en phase vapeur oupar voie liquide, projection à chaud et rechargement) sont abordées.

4. Critères d’emploi

Les propriétés qui sont exigées d’un outil en service dépendent,dans une large mesure, des conditions d’utilisation de cet outil etde la température à laquelle peut être portée sa partie active.Lorsqu’il s’agit par exemple d’un problème de mise en forme à froidtel que le découpage, l’emboutissage, le roulage,... la températuresuperficielle de l’outil ne dépasse pas, en général, 200 oC et les pro-priétés requises pour l’outillage sont essentiellement une dureté etune ténacité élevées, compatibles avec une bonne tenue à la fatiguemécanique et une grande résistance à l’usure. Lorsqu’il s’agit d’unproblème de mise en forme à chaud, abordé en pratique dès quela température de la partie active de l’outil dépasse 300 oC, lespropriétés requises pour l’outillage sont une dureté à chaud et uneténacité élevées, une grande résistance à l’adoucissement en service,compatibles avec une bonne résistance à la fatigue mécanique etthermique et une résistance à l’usure suffisante. Lorsqu’il s’agit d’unproblème de coupe, les propriétés requises pour l’outillage sontessentiellement une dureté à chaud et une ténacité élevées, compa-tibles avec une grande résistance à l’usure et à la fatigue mécanique.

On voit donc apparaître dans les outillages utilisés pour les pro-blèmes de mise en forme avec ou sans enlèvement de copeaux unensemble de propriétés qui peut se caractériser globalement de lamanière suivante :

■ la ténacité, ou faculté de résister à des niveaux de contraintestrès élevés sans entraîner de rupture brutale, propriété qui doit êtreaccompagnée, dans de nombreux cas, par une bonne résistanceaux chocs répétés ;

■ la dureté, qui exprime la résistance du matériau à l’enfoncementou à la déformation, propriété qui doit être atteinte soit à la tempé-rature ambiante, soit le plus souvent à chaud, avec des maintienssous charge souvent prolongés ;

■ la résistance à la fatigue thermique, c’est-à-dire au cyclage decontraintes de traction et de compression qui sont le résultat dechauffages et de refroidissements successifs d’outillages utilisésnotamment dans la mise en forme à chaud, cycles au cours desquelsil y a en plus une oxydation superficielle ;

■ la résistance à l’usure, qui se caractérise par la faculté, pour lasurface de l’outil, de conserver son état initial le plus longtempspossible sans endommagements en cours de service ;

■ la tenue à la corrosion qui traduit la résistance de la surface auxagressions liées à la chimie du milieu environnant.

4.1 Ténacité

La ténacité d’un acier à outils traduit l’ensemble de deuxpropriétés :

— la possibilité de se déformer avant rupture, c’est-à-dire laductilité ;

— la résistance à la déformation plastique.

Figure 26 – Influence du niveau de dureté sur l’indice de meulabilité de plusieurs nuances d’aciers rapides, conventionnelleset obtenues par la métallurgie des poudres

Figure 27 – Aspect des tapures de rectification, mis en évidencepar macrographie de la surface d’un échantillon d’acier 90 MnV 8


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

La seconde propriété est certainement la plus pratique, mais lapremière doit être prise en considération car souvent dans les outil-lages, par effet de coin ou d’entaille, le niveau de contraintes peutdépasser la limite d’élasticité. C’est le cas, par exemple, en fond degravure des matrices de forge et d’estampage ou au voisinage del’arête de coupe d’un outil. Plusieurs essais peuvent être réaliséspour caractériser la ténacité d’un acier à outils :

— l’essai de flexion statique ou de flexion par choc sur barreaunon entaillé (§ 4.1.1) ;

— l’essai de résilience avec des entailles adaptées à la fragilitéplus ou moins grande de l’acier (§ 4.1.2) ;

— la détermination du facteur critique d’intensité de contrainteen déformation plane (§ 4.1.3).

4.1.1 Essai de flexion

Il s’agit d’un essai sensible au phénomène d’amorçage desfissures, particulièrement bien adapté aux aciers à teneur massiqueen carbone élevée qui sont habituellement durs et fragiles. Cet essaidonne des indications sur la résistance de l’acier et sur sa défor-mation plastique (figure 28). Le critère choisi peut être soit la résis-tance à la rupture, soit l’énergie de rupture, soit le rapport flècheplastique/flèche à la rupture.

L’essai de flexion peut être réalisé en conditions statiques oudynamiques. Il y a peu de différences de sélectivité entre les deuxtypes d’essai car les matériaux sur lesquels sont pratiqués ces testssont peu sensibles aux vitesses de sollicitation.

■ L’essai de flexion statique permet de faire une sélection entre lesdifférentes nuances d’aciers à outils à haute teneur en carbone oud’aciers rapides comme le montrent les courbes de la figure 29tracées pour chaque acier avec des températures de trempe variableset des conditions de revenu identiques, à savoir :

— 2 revenus à 550 oC pour les aciers rapides ;— 2 revenus à 500 oC pour les aciers de travail à froid

X 100 CrMo V 5 et X 160 CrMo V 12 ;— 1 revenu à 200 oC pour l’acier de travail à froid X 200 Cr 12.

Il apparaît nettement, d’après cette figure, que les aciers rapidesprésentent un niveau de ténacité intéressant par rapport aux acierslédeburitiques à 12 % de chrome, compte tenu de la différence dedureté.

Dans le cas des aciers qui contiennent des quantités importantesde carbures après trempe, l’initiation des fissures au cours de l’essaide flexion se fait automatiquement à l’interface matrice-carbure. Ilen résulte que cet essai sera extrêmement sensible à la taille, aunombre et à la densité de répartition des carbures primaires.

■ L’essai de flexion en conditions dynamiques est intéressant dansla mesure où il peut donner une idée de la résistance du matériau àdes variations brutales de sollicitations. Il est souvent employé dansle domaine des aciers à outils qui présentent une trop grande fragilitépour être caractérisés au moyen des éprouvettes de résilience clas-siques. La figure 31 montre l’évolution de l’énergie de rupture parflexion en conditions dynamiques d’un certain nombre d’aciersd’outillage à froid en fonction de la température de revenu. Il apparaîtun maximum de ténacité au voisinage de 200 oC, qui est attribué àla stabilisation de l’austénite résiduelle et au détensionnement descontraintes de trempe. Les minimums de ténacité observés vers300 oC et 500 oC sont liés respectivement à la transformation del’austénite résiduelle en martensite secondaire et à la précipitation decarbures secondaires.

4.1.2 Essai de résilience

L’essai au choc avec une entaille plus ou moins aigüe destinée àlocaliser la zone de rupture est un test global permettant de carac-tériser la résistance du matériau à l’amorçage et à la propagationdes fissures. Il présente une bonne sélectivité dans les nuancesd’aciers à outils les moins fragiles, c’est-à-dire les aciers d’outillageà chaud moins chargés en carbone. La possibilité d’enregistrer lacourbe de flexion par choc à l’aide d’un mouton-pendule instrumentéest très intéressante pour ce type de matériau.

Les valeurs de la résilience sont fortement influencées par la tem-pérature de revenu comme le montrent les courbes de la figure 32relatives aux nuances les plus connues parmi les aciers d’outillageà chaud. Il apparaît clairement sur cette figure que les aciers à dur-cissement secondaire tels que le X 38 CrMoV 5 ou le 20 MoNi 34-13ont des niveaux de résilience plus bas que les autres pour destempératures de revenu supérieures à 450 oC.

Les valeurs de la résilience sont également fortement influencéespar la température d’essai comme le montrent les courbes de lafigure 33 relatives aux nuances les plus connues parmi les aciersd’outillage à chaud. La ductilité de ces aciers est nettement amélioréelorsque la température d’essai dépasse 200 oC, ce qui montrel’intérêt que peut présenter le préchauffage dans les ateliers de forgeou d’estampage pour éviter les phénomènes de rupture brutaled’outillage.

À titre d’exemple, une structure avec des carbures bien répartis(que l’on peut obtenir sur des produits refondus sous laitier) ou avecdes carbures très fins et encore mieux répartis (que l’on peut obtenirpar métallurgie des poudres dans les aciers rapides) présente unmeilleur comportement à l’essai de flexion comme le montrent lescourbes de la figure 30. Il apparaît que l’amélioration de la résistance àla rupture par flexion des aciers rapides apportée par la métallurgie despoudres est de 20 % pour l’acier HS 6-5-2 au niveau de 64,5 HRC et de65 % pour l’acier HS 12-1-5-5 au niveau de 68 HRC.

Figure 28 – Enregistrement charge-flècheau cours d’un essai de flexion statique

Figure 29 – Énergie de rupture par flexion statiquede quelques aciers utilisés pour le travail à froid


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

4.1.3 Détermination du facteur KIc

Cet essai caractérise la résistance du matériau à la propagationbrutale de fissures aigües dans les conditions les plus sévèrescorrespondant à la triaxialité des contraintes et à des déformationsplanes. Il est possible sur des matériaux aussi fragiles que les aciersà outils d’effectuer une fissure de fatigue dans des conditions biendéterminées de cyclage de contraintes et de déterminer le facteurKIc d’une manière tout à fait correcte.

Cet essai semble peu sensible à la nature et à la quantité de laphase carbure dans le cas des aciers rapides et des aciers d’outillageà froid à très haute résistance à l’usure, ou à la direction de propa-gation de la fissure par rapport aux fibres du métal dans le cas desaciers à outils moins chargés en carbone, tels que les aciersd’outillage à chaud. Par contre, il est très sensible à la structure detrempe : martensite contenant ou non de la bainite, présenced’austénite résiduelle, et à la structure de revenu : précipitation decarbures secondaires. Le tableau 6 donne quelques résultats demesures de KIc effectuées sur plusieurs groupes d’aciers à outils.

Figure 30 – Résistances à la flexion comparées des aciers rapides conventionnels et obtenus par la métallurgie des poudres

Figure 31 – Énergie de rupture par flexion (chocs),en fonction de la température de revenu,des aciers alliés pour travail à froid

Figure 32 – Résilience, en fonction de la température de revenu,des aciers d’outillage à chaud

Figure 33 – Résilience à chaud des principaux acierspour outillages utilisés sur presses mécaniques


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

(0)

■ Dans le cas des aciers d’outillage à froid traités pour un niveau dedureté voisin de 60 HRC, il y a peu d’écarts entre les valeurs trouvéesmalgré les différences de quantités de carbures primaires présentsaprès trempe.

■ Dans le cas des aciers d’outillage à chaud traités également pourun même niveau de résistance (≈ 46 HRC), il y a peu d’écarts entreles valeurs trouvées suivant le mode de prélèvement des éprou-vettes, mais des écarts importants suivant la structure de trempe deces éprouvettes.

■ Dans le cas des aciers à coupe rapide traités pour le même niveaude dureté, on ne trouve pas d’écarts entre deux aciers de mêmecomposition chimique, l’un obtenu par les moyens conventionnelset l’autre par métallurgie des poudres. Par contre, on trouve desdifférences importantes lorsqu’on modifie la température de miseen solution des carbures ou la température de revenu.

L’explication de ces résultats réside dans le fait que, pour des maté-riaux de haute dureté tels que les aciers à outils, les zones intéresséespar la mécanique de la rupture sont petites par rapport à la tailledes carbures et que la résistance à la propagation brutale des fissuresest donnée par la matrice elle-même.

4.1.4 Conclusion

La ténacité des aciers à outils est le résultat de deux propriétésdistinctes :

— la résistance à l’amorçage des fissures, qui dépend très étroi-tement de la taille, de la nature et de la répartition de la phase carbureet qui peut être facilement mesurée par l’essai de flexion statiqueou l’essai de flexion par choc ;

— la résistance à la propagation des fissures qui dépend plutôtde la microstructure de la matrice elle-même et qui semble peu liéeà la nature de la phase carbure ; elle est directement atteinte par lamesure du critère KIc .

4.2 Dureté

La dureté est évidemment l’une des propriétés de base des aciersà outils ; elle exprime la résistance du matériau à l’enfoncement ouà la déformation, à la température ambiante ou à chaud, pour dessollicitations mécaniques de courte durée ou au contraire pour desmaintiens prolongés sous charge. Cette propriété peut être atteintepar les critères suivants :

— le niveau de dureté à la température ambiante, mesuré selonles cas en empreinte Vickers ou en empreinte Rockwell ;

— la dureté à chaud mesurée en général en empreinte Vickers ;— la résistance au fluage.

4.2.1 Dureté à la température ambiante

Le niveau de dureté atteint après traitement thermique de trempeet revenu est extrêmement variable d’une nuance d’acier à l’autre :il dépend de la teneur en carbone et en éléments carburigènes del’acier.

Les courbes de la figure 34 représentent l’évolution de la duretéHRC de quatre groupes d’aciers d’outillage de travail à froid etd’aciers rapides en fonction de la température de revenu.

Tableau 6 – Résistance des aciers à outils à la propagation brutale des fissures

Type d’acier Traitement thermique → = trempeDureté

HRCStructure

de la matrice

Mode de prélèvement

des éprouvettes

KIc (1)

(MPa )

Aci

ers

allié

sp

ou

r tr

avai

l à f

roid 90 MnV 8 800 oC → huile + revenu 180 oC 60 Martensite Long 19,1

X 100 CrMoV 5 980 oC → air + revenu 200 oC 60 Martensite Long 21,1

X 160 CrMoV 12 1 025 oC → air + revenu 200 oC 60 Martensite Long 27,1

X 200 Cr 12 975 oC → huile + revenu 200 oC 60 Martensite Long 22,8

Aci

ers

allié

sp

ou

r tr

avai

l à c

hau

d

X 38 CrMoV 5

1 010 oC → trempe étagée + 2 revenus 610 oC 46 Martensite Long 104,4

1 010 oC → trempe étagée + 2 revenus 610 oC 46 Martensite Travers 98,7

1 010 oC → air + 2 revenus 600 oC 46 Martensite + 40 % bainite

Travers 51,9

40 CrMoV 13

950 oC → trempe étagée + 2 revenus 590 oC 46 Martensite Long 114,5

950 oC → trempe étagée + 2 revenus 590 oC 46 Martensite Travers 105,0

950 oC → air + 2 revenus 580 oC 46 Martensite + 40% bainite

Travers 36,4

Aci

ers

rap

ides

HS 7-6-3-12 conventionnel

1 210 oC → trempe étagée + 3 srevenus 550 oC 68 Martensite Long 9,7

HS 7-6-3-12 MP (2) 1 200 oC → trempe étagée + 3 revenus 550 oC 68 Martensite Long 9,0

HS 6-5-2

1 200 oC → trempe étagée + 2 revenus 550 oC 65,5 Martensite Long 16,2



1 200 oC → trempe étagée + 2 revenus 600 oC 63 Martensite Long 17,4

(1) Valeurs déterminées sur éprouvettes préfissurées en fatigue. (2) Nuance obtenue par métallurgie des poudres.

m


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

■ Pour les aciers à outils contenant environ 1 % de carbone du typeC 100 E2 U (C 80 E2U à C 105 E2U, C 105 E2UV1, C 120 E3U) ou100 Cr2 et 100 Cr6, ou pour les aciers à outils faiblement alliés(90 MnV 8 par exemple), la dureté d’emploi, comprise entre 56 et59 HRC, est obtenue par un revenu de détente à basse températureaux environs de 200 oC.

■ Pour les aciers à outils alliés à haute teneur en carbone

(X 100 CrMoV 5, X 160 CrMoV 12), la dureté d’emploi, compriseentre 58 et 61 HRC, est obtenue, soit par un revenu à basse tem-pérature effectué entre 170 et 220 oC, soit par un revenu à 500 oC.Dans ce dernier cas, il est préférable d’effectuer un double revenupour éviter toute fragilisation causée par la transformation del’austénite résiduelle.

■ Pour les aciers à coupe rapide, la dureté d’emploi, comprise entre62 et 66 HRC, est obtenue après plusieurs revenus à 550 oC,c’est-à-dire au maximum du durcissement secondaire. À la diffé-rence des aciers des groupes précédents, un abaissement de duretéest obtenu par un abaissement de la température d’austénitisation.

Dans le domaine des aciers d’outillage à chaud, on s’intéresseégalement à l’évolution de la dureté en fonction de la températurede revenu. Il est en effet intéressant d’avoir la structure la plusstable possible compatible avec un niveau de dureté suffisant etcela ne peut être obtenu que lorsque l’acier a une bonne résistanceau revenu. Nous avons représenté sur la figure 35 les courbesd’évolution de la dureté en fonction de la température de revenupour un certain nombre de nuances d’aciers d’outillage à chaud (ils’agit, dans chaque cas, d’un double revenu).

Les aciers X 38 CrMoV 5, 20 MoNi 34-13, X 30 WCr 9 présententtous un durcissement secondaire qui se situe aux environs de 550 oCpour des revenus de courte durée. Ce durcissement est lié à la préci-pitation des carbures spéciaux contenant du chrome, du molybdène,du tungstène et du vanadium. Au-delà de 600 oC, la dureté des aciersles moins alliés chute rapidement alors que celle des aciers les plusalliés reste plus élevée, par suite des fortes additions de tungstèneet de vanadium.

La figure 35 indique, de plus, la gamme de duretés habituellementemployées pour les outillages utilisés sur pilons avec les aciers55 NiCrMoV 7, 55 CrNiMoV 4, 40 CrMoV 13 et la gamme de duretéshabituellement utilisées pour les outillages de presses avec lesautres aciers.

Les duretés obtenues par traitement thermique ne se conserventau cours de l’utilisation des outils que dans la mesure où les tem-pératures réellement atteintes en service et les durées d’expositionà la chaleur ne remettent pas en cause l’équilibre structural du métal.La règle habituellement adoptée est de maintenir la températured’emploi à au moins 30 oC au-dessous de la température de revenu.

4.2.2 Dureté à chaud

Dans les problèmes de mise en forme avec ou sans enlèvementde copeaux, on doit prendre en considération l’abaissement de ladureté de l’outil qui est d’autant plus grand que l’élévation de tem-pérature est importante. Dans la coupe, il faut tenir compte en plusde l’élévation de dureté du matériau usiné dont l’écrouissage variesuivant sa nature et les conditions de coupe. On peut penser, en

Figure 34 – Dureté, en fonction de la température de revenu,des aciers d’outillage à froid et des aciers rapides

Figure 35 – Dureté, en fonction de la températureet du temps de revenu, des aciers d’outillage à chaud


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

première approximation, que les deux phénomènes convergent etque l’outil ne tient plus lorsque sa dureté à la température de coupeatteint celle du métal écroui par l’usinage. Dans le domaine de laforge et de l’estampage, la dureté à chaud est le critère déterminantpour la résistance de l’outillage aux déformations plastiques et àl’amorçage des fissures de fatigue mécanique ou thermique.

La dureté à chaud est donc un paramètre important pour classerles nuances d’aciers à outils : cette classification apparaît nettementsur les courbes de la figure 36 où sont rassemblées les duretés àdifférentes températures des trois principaux groupes d’aciers àoutils : les aciers rapides, les aciers d’outillage à chaud et les aciersd’outillage à froid.

■ Les aciers à coupe rapide présentent une dureté à 20 oC trèsélevée et une bonne dureté à chaud en raison d’une teneur en car-bone élevée (0,8 % < C < 1,5 %) associée à des additions importan-tes d’éléments carburigènes. Les aciers rapides, hautement chargésen vanadium et cobalt (HS 18-0-2-10 ; HS 2-9-1-8 ; HS 12-1-5-5 ;HS 10-4-3-10 ; HS 7-6-3-12), se trouvent à des niveaux de duretésupérieurs à ceux des aciers rapides classiques (HS 6-5-2 ;HS 18-01 ; HS 2-9-2).

■ Les aciers d’outillage à chaud présentent des duretés à 20 oCmoyennes, mais des duretés à chaud très acceptables en raisond’une teneur en carbone plus basse (0,2 % < C < 0,6 %) associée àdes additions d’éléments d’alliages relativement importantes. Lesaciers de cette famille les plus résistants à chaud sont les aciers à 5 %de chrome avec addition importante de molybdène et de vanadium(X 38 CrMoV 5 ; X 35 CrWMoV 5 ; X 40 CrMoV 5) et les aciers à hauteteneur en tungstène (X 32 WCrV 5 ; X 30 WCrV 9).

■ Les aciers d’outillage à froid présentent des duretés à 20 oCpresque équivalentes à celles des aciers rapides (teneur en carboneélevée) mais des duretés à chaud assez faibles par suite de leur basseteneur en éléments carburigènes. Les aciers de cette famille les plusrésistants à chaud sont les aciers lédeburitiques à 12 % de chromeavec addition de molybdène et de vanadium et, dans certains cas, decobalt (X 160 CrMoV 12, X 160 CrCoMoV 12-03).

4.2.3 Résistance au fluage

Les aciers d’outillage qui sont soumis à des contraintes élevéesà des températures supérieures ou égales à 500 oC doivent posséder,pour résister aux déformations, de bonnes propriétés mécaniquesà chaud et notamment une limite d’élasticité élevée aux tempéra-tures d’utilisation ainsi qu’une bonne résistance au fluage. La limited’élasticité varie avec la température d’essai comme la dureté àchaud et le classement précédemment indiqué serait le même si l’onavait pris en considération la limite d’élasticité à chaud. Toutefois,dans les aciers fragiles comme les aciers rapides ou les aciersd’outillage contenant plus de 6 % de chrome, ce critère est difficileà apprécier compte tenu de la susceptibilité de ces matériaux à l’effetd’entaille qui peut entraîner des risques de rupture prématurée encharge.

La considération des propriétés de résistance au fluage permetde situer les aciers à outils de structure martensitique revenue parrapport aux aciers inoxydables de structure austénitique et auxsuperalliages à durcissement structural. Les chiffres du tableau 7illustrent ce point et mettent en évidence le domaine d’emploi desdifférentes nuances. Les aciers d’outillage à chaud de structure mar-tensitique voient leurs propriétés de résistance au fluage s’effrondrerau-delà de 550 oC avec un facteur multiplicatif de 2 à 550 oC entreles nuances 45 CrMoV 6 et X 38 CrMoV 5-3 traitées pour le mêmeniveau de résistance. Ces aciers ne peuvent pas être utilisés sansrisques de déformations rapides au-delà de 600 oC. Pour de tellestempératures, il est nécessaire d’utiliser des nuances plus résistantesà chaud, comme les aciers inoxydables austénitiques du typeX 6 NiCrTi 26-15 (type nuance AISI A 286) ou mieux les alliagesréfractaires comme la nuance NiCr 19 NbMo (type nuance AISI 718)qui donnent au point de vue résistance à la déformation à 600 oCdes garanties respectivement 4 fois et 7 fois supérieures à celles del’acier X 38 CrMoV 5-3. (0)

4.3 Résistance à la fatigue thermique

Lors des opérations de mise en forme à chaud, la surface de l’outilest soumise d’une manière cyclique à des contraintes de tractionet de compression, comme indiqué sur la figure 37. Dans un premiertemps, la dilatation thermique de l’outil subit une restriction par lemétal froid sous-jacent à la couche externe, ce qui crée un état decontraintes de compression en surface et de traction plus enprofondeur. L’amplitude de ces contraintes, de caractère bidimen-sionnel, est proportionnelle à la variation de température ∆θ, aucoefficient de dilatation linéaire α et au module d’Young E.

avec υ coefficient de Poisson.

Ces contraintes de compression peuvent entraîner une plastifica-tion de la surface selon la valeur de la limite d’élasticité à chaud dumatériau constituant l’outil.

À la sortie de la phase de mise en forme, il se superpose à l’étatde contraintes final plastique un second régime de contraintesthermoélastiques de traction, proportionnelles à la diminution detempérature et affectées éventuellement par des variations dimen-sionnelles liées à des transformations de phase. Le retour à la phaseultérieure de mise en forme vient superposer des contraintes decompression à l’état final du régime précédent (figure 37).

Figure 36 – Dureté, en fonction de la température d’essai,des principales catégories d’aciers à outils

σ 11 σ 22 α E ∆ θ 1 υ

–---------------–= =


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

La peau de l’outil subit donc des contraintes alternées selon uncycle comportant des phases sous déformation plastique notam-ment en compression, dont la répétition entraîne un endommage-ment qui peut être associé à un phénomène de fatigue oligocyclique.La boucle d’hystérésis qui lui est associée, représentée schéma-tiquement sur la figure

37

, a une amplitude qui diminue avec ladistance à la surface de l’outil.

4.3.1 Influence de la cinétique d’oxydation

Un premier facteur important qui peut contribuer à l’amorçage età la propagation des fissures est l’oxydation qui se développe à lasurface des outils aux températures les plus élevées du cyclethermique. La couche d’oxydes a une résistance mécanique très infé-rieure à celle du métal de base et elle est donc moins apte à résisteraux contraintes produites par le cyclage thermique. Il en résulte unefragmentation de cette couche d’oxydes qui favorise l’amorçage desfissures dans le métal sous-jacent. Ces fissures constituent descourts-circuits de diffusion et contribuent à accélérer la cinétiqued’oxydation ; par contre, elles entraînent une relaxation des

contraintes superficielles et peuvent influer sur la morphologie del’endommagement. C’est ainsi qu’une nuance d’outil dont la ciné-tique d’oxydation est forte sera caractérisée par un maillage densede fissures de faible profondeur alors qu’une nuance d’outil plusrésistante à l’oxydation sera caractérisée par un nombre plus limitéde fissures, mais de plus grande profondeur.

4.3.2 Influence des caractéristiques physiqueset mécaniques

Un deuxième facteur qui conditionne l’endommagement parfatigue thermique est lié aux caractéristiques physiques etmécaniques du matériau qui constitue l’outil. Le gradient thermiquequi se crée dans ce dernier lors des échanges thermiques est en effetlié à la diffusivité thermique

λ

/(

ρ

·

c

p

) où

λ

est la conductivité ther-mique,

ρ

la masse volumique et

c

p

la capacité thermique massique.Comme

ρ

et

c

p

varient peu dans les outillages usuels, c’est

λ

quiconditionne les échanges thermiques : à une augmentation de

λ

correspond une diminution du gradient et des contraintes associées.Comme, par ailleurs, ces contraintes sont proportionnelles auproduit

E

α

, il faudra rechercher, pour améliorer la tenue à la fatiguethermique, des matériaux dont le rapport

E

α

/

λ

soit le plus faiblepossible, avec des caractéristiques mécaniques à chaud élevées pourlimiter le taux de plastification au cours des cycles de mise en forme(figure

37

). Une aide au choix des nuances peut être fournie par lescourbes des figures

38

et

39

qui donnent l’évolution de

α

et de

λ

en fonction de la température pour un certain nombre de nuancesd’aciers d’outillage à chaud.

4.3.3 Influence de la microstructure

Un troisième facteur qui conditionne la dégradation par fatiguethermique est la structure métallurgique de l’outil : les alignementsde carbures en réseau par exemple constituent des sites préférentielsd’amorçage et de propagation des fissures ; les transformations dephase du type austénite-martensite au cours des cycles peuventinduire des concentrations locales de contraintes préjudiciables auxphénomènes de fissurations. Par ailleurs, les mécanismes de vieillis-sement, accélérés par la présence des contraintes, peuvent entraînerune chute des caractéristiques mécaniques de l’outil et contribuerà l’accélération du dommage.

4.3.4 Conclusion

Un acier à outils sera d’autant plus résistant à la fatigue thermiqueque sa cinétique d’oxydation sera rapide, que ses caractéristiquesmécaniques à chaud seront élevées et que le rapport

α

/

λ

, sera faibleaux températures supposées de service. Par ailleurs, cette résistancesera assurée par une grande stabilité structurale et par l’absence

Tableau 7 – Résistance au fluage de nuances utilisées dans le domaine de la mise en forme à chaud

Nuance

Niveaude résistance

à 20

o

C

Contrainte pour atteindre 1 % d’allongement en 1 000 h

Contrainte conduisant à ruptureen 10 000 h

(MPa) (MPa)

(MPa)

500

o

C 550

o

C 600

o

C 650

o

C 700

o

C 500

o

C 550

o

C 600 oC 650 oC 700 oC

45 CrMoV 6 1 400 400 100 40 — — 530 135 40 — —55 NiCrMoV 7 1 350 340 100 25 — — 350 100 20 — —32 CrMoV 12-28 1 460 440 230 80 — — 450 220 75 — —X 38 CrMoV 5 1 460 510 225 50 — — 540 150 60 — —X 38 CrMoV 5-3 1 480 450 250 100 — — 510 240 95 — —X 6 NiCrTi 26-15 1 080 — — 410 275 125 600 430 330 210 80NiCr 19 NbMo 1 280 — — 710 550 390 — — 650 440 240

Figure 37 – Cycle de contraintes thermiques auxquelles est soumise la surface de l’outil dans une opération de mise en forme à chaud


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

d’alignements de carbure. Les nuances d’aciers contenant des addi-tions importantes de molybdène et de vanadium, et dont la teneuren chrome est suffisante pour éviter les phénomènes d’oxydationcatastrophique sont de ce point de vue intéressantes (par exemple32 CrMoV 12-28).

4.4 Résistance à l’usure

4.4.1 Différents processus d’usure

D’une façon générale, l’usure peut être considérée commeassociant des mécanismes de rupture (cisaillement de jonctions,fatigue...) à des phénomènes interactifs tels que des effets ther-miques, des phénomènes volumiques (déformations plastiques,changement de phase, diffusion) et naturellement des effets desurface (réactions, adsorption, ségrégation...). De nombreuses clas-sifications d’usure existent depuis longtemps et plusieurs types sontreconnus : adhésion, délamination abrasion, érosion, usure parpetits débattements, par impact, par corrosion et par oxydation, pardiffusion... Il faut toutefois reconnaître que la détermination desmécanismes de base est difficile à cerner en raison de la complexitédes phénomènes rencontrés en pratique. D’une manière générale,les modes de dégradation par usure peuvent être considérés commela résultante de trois mécanismes de base incluant l’adhésion, l’abra-sion et la délamination. Dans tous les cas, les modes de dégradationconduisent à l’émission de particules.

■ L’usure par adhésion, souvent décrite comme un processussévère, est généralement le point de départ d’un mécanisme dedégradation de deux surfaces frottant l’une contre l’autre ; il y aadhésion locale à l’échelle atomique entre les surfaces des deuxantagonistes, création de ponts et cisaillement ou déplacement dumatériau le moins résistant avec formation de débris d’usure outransfert sur l’outil.

■ L’usure par abrasion provient de la pénétration et du déplacementde matière liés à un corps étranger qui peut être soit une particuleabrasive provenant de l’acier usiné, soit un débris d’usure d’origineadhésive ; à la différence de l’usure par adhésion, il s’agit d’un pro-cessus pratiquement constant en fonction du temps, sans altérationsuperficielle qui modifie les conditions initiales.

■ L’usure par délamination est souvent le résultat de trois facteursqui contribuent à l’endommagement :

— des facteurs mécaniques, en liaison avec la géométrie ducontact, la courbure des surfaces, le taux de glissement, la pressionde contact, la rugosité de surface et les conditions de lubrification ;

— des facteurs physico-chimiques en rapport avec la nature del’atmosphère ou du lubrifiant dans le contact et la compatibilité dessurfaces antagonistes ;

— des facteurs métallurgiques en liaison avec la structure dessolides en contact et la stabilité de cette structure dans les conditionsde chargement cyclique, la dureté superficielle, l’état inclusionnaire,la nature et la distribution des contraintes résiduelles.

Ce mode d’usure intervient notamment dans le cas de cyclage decontraintes avec glissement, présence de chocs, grandes vitessesde sollicitations et se trouve conditionné par les caractéristiques deténacité de l’acier.

Remarque : il existe dans le cas de la coupe un quatrième processus d’usure qui estl’usure par diffusion, qui peut avoir lieu dans des conditions de travail sévères lorsque latempérature de l’outil s’élève fortement, par exemple dans le cas de la coupe des métaux.La soudure du copeau à l’outil a pour conséquence la formation d’une couche limite, et lacondition d’instabilité de celle-ci entraîne dans le métal à usiner la formation d’une couchemince de glissement facile par fluage à haute température ; cette couche facilite la diffusiondes éléments métalliques et du carbone de l’outil vers le matériau usiné.

4.4.2 Usure par adhésion

Les facteurs métallurgiques qui sont déterminants pour ceprocessus d’usure sont les suivants.

■ La taille de grains : le paramètre important est la dimensionmoyenne du grain par rapport à la dimension moyenne des aspéri-tés de surface ; si la taille de grains est nettement supérieure auxaspérités de surface, l’effet contraignant des joints de grains sur ladéformation de l’acier sera très faible. Par ailleurs, les discontinuitésque constituent les joints de grains sont des ruptures de pontsd’adhésion : un gros grain est donc préjudiciable.

Figure 38 – Évolution du coefficient de dilatation en fonction de la température pour un certain nombre d’acierset d’alliages utilisés dans la mise en forme à chaud

Figure 39 – Évolution de la conductivité thermique en fonction de la température pour un certain nombre d’acierset d’alliages utilisés dans la mise en forme à chaud

�

�


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

■ Le taux d’austénite résiduelle : une trop grande quantité d’austé-nite résiduelle est néfaste car, d’une manière générale, il est reconnuque le comportement à l’adhésion d’une structure austénitique estplus mauvais que celui d’une structure martensitique ou ferritique.

■ La microstructure : les carbures constituent des points de rupturedes zones d’adhésion ; les éléments carburigènes tels que le chrome,le tungstène, le molybdène et le vanadium ont donc une actionfavorable sur la résistance à l’usure, et cela d’autant plus que lescarbures formés avec les éléments d’alliage sont plus durs (articleDonnées numériques sur les aciers à outils [M 332] dans ce traité).C’est ainsi que le vanadium, qui entraîne la formation du carbureMC (M = V + Fe), est de loin l’élément d’alliage le plus efficace. Lesparamètres tels que la taille et la répartition des carbures primaires,la nature des carbures secondaires précipités au cours du revenu etla stabilité de la structure en fonction de la température de revenuinfluent également assez fortement sur le mécanisme d’adhésion ;en particulier, une répartition homogène de carbures primaires etune quantité importante de carbures secondaires précipités au coursdu revenu sont des facteurs favorables pour la résistance à l’usurepar adhésion.

■ La résistance du métal à l’oxydation : les films d’oxyde super-ficiels peuvent empêcher le contact métal-métal sous réserve que lesoxydes formés ne soient pas durs et fragiles, ce qui est le cas desoxydes de fer par exemple au-dessus de 500 oC. Ainsi, les aciers plusrésistants à l’oxydation sont-ils plus sensibles à l’usure par adhésionou transfert de métal ; c’est pourquoi une teneur en chrome supé-rieure à 10 % peut, dans certains cas, être défavorable.

■ Les traitements de surface : les couches de combinaison denitrures, de carbures et d’oxydes, obtenues par les traitements denitruration ou de dépôts réalisés en phase vapeur ou à partir de lavoie liquide (rubriques Traitements de surface et Traitements ther-miques de ce traité), jouent un rôle extrêmement favorable sur la

résistance du métal à l’usure par adhésion, à la fois par leur très hautedureté (entre 1 000 et 2 000 HV), leur inerte vis-à-vis des surfacesantagonistes et leur très grande stabilité en fonction de latempérature.

L’usure par adhésion, qui est un phénomène volumique, est enrelation étroite avec le coefficient de frottement outil-matériaudéformé, qui est un phénomène superficiel. Le coefficient de frot-tement peut être mesuré dans des conditions d’essai qui sont rela-tivement répétitives et nous avons indiqué, dans le tableau 8,quelques résultats d’essais obtenus avec l’antagoniste acier inoxy-dable ferritique à 17 % de chrome, et des outillages en aciers à hauteteneur en carbone et en acier rapide. Les essais ont été réalisés avecdes états de surface et des niveaux de dureté bien déterminés, avecun lubrifiant de composition chimique donnée mais dans desconditions de lubrification limite autorisant le contact direct entreantagonistes. Il apparaît clairement sur ce tableau l’influence, sur lecoefficient de frottement, des paramètres métallurgiques précé-demment définis : grosseur de grain, taux d’austénite résiduelle,quantité et nature des carbures primaires, taille et répartition de cesmêmes carbures.

4.4.3 Usure par abrasion

Les facteurs métallurgiques qui influent sur ce processus d’usuresont les suivants.

■ La dureté de l’outil : il faut que le rapport entre la dureté de l’outilet la dureté de l’abrasif soit supérieur à 0,5-0,6 pour que la résis-tance de l’acier à l’usure par abrasion soit suffisante ; parmi les prin-cipaux abrasifs qui peuvent agir au niveau de la surface de l’outil, onpeut citer l’émission des particules d’usure par adhésion, les oxydesqui se forment à la surface du métal déformé ou usiné, etc. (0)

Tableau 8 – Influence des paramètres métallurgiques sur le processus d’usure par adhésion d’aciers à outils

utilisés en mise en forme avec ou sans enlèvement de copeaux (1)

Type d’acierTraitement thermique

→ = trempeDureté

HRC

Grosseur de grain ASTM

Taux d’austénite résiduelle

Carbures primaires

Coefficient de

frottementPourcentage

en masseNature

Taille moyenne

(%) (µm)

90 MnV 8780 oC → huile + revenu 180 oC 59 à 60 12 7 4 M3C ≈ 2 0,17810 oC → huile + revenu 180 oC 59 à 61 11 9 < 4 M3C ≈ 2 0,18840 oC → huile + revenu 180 oC 59 à 60 9 à 10 12 < 4 M3C ≈ 2 0,19

X 100 CrMoV 5 950 oC → air + revenu 200 oC 60 9 12 4,5 M7C3 3 0,17950 oC → air + 2 revenus 500 oC 60 9 < 2 4,5 M7C3 3 0,15

X 160 CrMoV 12 1 025 oC → air + revenu 200 oC 60 à 61 11 14 12,5 M7C3 5 0,141 025 oC → air + 2 revenus 500 oC 60 à 61 11 < 4 12,5 M7C3 5 0,12

X 160 CrMoV 12 chromisé

1 025 oC → air + 2 revenus 500 oC 60 à 61(3)

11 < 3 ≈ 100 (3) M7C3 10 0,08

HS 6-5-4conventionnel

1 180 oC → eau + 2 revenus 550 oC 65 14 (4) < 5 11 56 % MC 5 0,08

44 % M6C

HS 6-5-4obtenu par MP (2)

1 180 oC → eau + 2 revenus 550 oC 65 20 (4) < 5 11 56 % MC 1,5 0,09

44 % M6C

(1) Essais de frottement en conditions lubrifiées sur antagoniste acier inoxydable ferritique à 17 % de chrome. Rugosité de l’outil : 0,20 µm (rugotest LCA). Vitessede glissement : 5 m/min.

(2) Nuance obtenue par métallurgie des poudres.(3) Pellicule de 14 µm avec HV 0,025 = 1 850.(4) Il s’agit de grosseurs de grain Snyder-Graff (§ 1.5.3) .


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

■ La présence de phases dures, particulièrement les carbures devanadium, tungstène, molybdène et chrome : la dureté des carburesest l’élément important, elle varie de 3 000 HV environ pour lecarbure de vanadium à 1 300 HV environ pour le carbure M23C6 àbase de chrome et de fer.

■ La microstructure et principalement la taille et la répartition descarbures primaires, ainsi que la précipitation des carburessecondaires.

La résistance à l’usure par abrasion peut être simulée au niveaudu laboratoire par un test d’abrasion sur rectifieuse plane avec desconditions d’essai permettant une élimination rapide des grainsd’abrasifs de petites dimensions. La mesure du rapport du volumede métal enlevé au volume d’abrasif éliminé permet d’approcher leniveau moyen de résistance à l’usure par abrasion. Nous donnonsà titre indicatif dans le tableau 9 quelques résultats obtenus surdes nuances d’aciers à outils et d’aciers rapides. Plus le rapportobtenu est élevé, moins la nuance d’acier est résistante à l’usure.L’influence favorable des paramètres dureté, pourcentage et naturedes carbures primaires sur la résistance de l’acier à l’usure parabrasion, y apparaît nettement.

4.4.4 Usure par délamination

Les facteurs métallurgiques qui sont déterminants pour ce typed’usure sont ceux qui influent sur la ténacité ou la sensibilité auxchocs du matériau. On peut donc citer avec une incidence favorable :

— une réduction de la taille des grains ;— une diminution du taux d’austénite résiduelle (dans la mesure

où ce constituant, qui peut se transformer en martensite secondaireau cours du travail de l’outil, est une source de fragilité) ;

— une diminution de la fragilité intrinsèque de la matrice del’acier, phénomène lié le plus souvent à un haut niveau de duretécausé par une précipitation importante de carbures secondaires.

On peut citer comme autres éléments exerçant une action favo-rable sur l’usure par délamination la présence de contraintes decompression apportées par un traitement mécanique, thermique outhermochimique de surface, l’absence d’alignements de carburesprimaires, ainsi que la recherche d’un état inclusionnaire le plusfaible possible avec notamment un taux d’inclusions oxydées de typeSiO2 ou Al2O3 très bas.

4.4.5 Conclusion

On peut donc dire globalement que la résistance à l’usure d’unacier à outils sera d’autant plus forte que la taille de grains sera plusfine, que le taux d’austénite résiduelle sera plus faible et que, pourun niveau de dureté donné, la quantité de carbures primaires seraplus importante, tout en évitant les alignements, avec un classementde ces carbures dans l’ordre croissant d’efficacité suivant : MC, M7C3et M6C. On a l’habitude de caractériser la résistance à l’usure d’unacier à outils suivant sa composition chimique, pour une teneur encarbone donnée, avec le critère du tungstène équivalent qui setraduit par l’expression :

Weq = % W + 2 % Mo + 4 % V + 0,5 % Cr

Le tungstène équivalent est bien entendu un critère tout à fait qua-litatif et indicatif de la résistance à l’usure des aciers à outils, lié essen-tiellement à la composition chimique. Pour une composition donnée,l’optimisation de la résistance à l’usure passe par la recherche d’uneélaboration, de conditions de transformation à chaud et de traite-ment thermique, tout à fait adaptées pour optimiser le compromisentre résistance et ténacité, ainsi que par l’apport de contraintes decompression en surface en liaison avec un traitement superficieladéquat.

4.5 Tenue à la corrosion

La dégradation de la surface d’un outillage par corrosion résultede combinaisons d’effets mécaniques et d’effets chimiques inter-actifs. Le processus est dominé par une réaction chimique ou élec-trochimique avec le milieu extérieur. Les principales formes querevêt la corrosion sont, d’une manière générale, la corrosionuniforme, la corrosion localisée, la corrosion sous contrainte et lacorrosion intergranulaire.

(0)

Tableau 9 – Critère de résistance à l’usure par abrasion de nuances d’aciersd’outillage à froid et d’aciers rapides (1)

Type d’acierTraitement thermique

→ = trempeDureté HRC G (2)

100 Cr 6 830 oC → huile + revenu 200 oC 60 6,7

X 100 CrMoV 5980 oC → air + revenu 200 oC 59 à 60 5,0

980 oC → air + 2 revenus 500 oC 59 4,8

X 160 CrMoV 121 025 oC → air + revenu 200 oC 60 à 61 3,1

1 025 oC → air + 2 revenus 500 oC 60 2,9

X 200 Cr 12 975 oC → air + revenu 200 oC 61 2,4

HS 6-5-21 160 oC → bain de sels + 2 revenus 550 oC 63 à 64 1,7

1 200 oC → bain de sels + 2 revenus 550oC 65 1,5

HS 6-5-41 160 oC → bain de sels + 2 revenus 550 oC 64 1,0

1 200 oC → bain de sels + 2 revenus 550 oC 66 0,8

(1) Essais d’abrasion avec grains d’alumine indice 120.Profondeur de passe = 5 µm ; vitesse de glissement : 10 m/min

(2) Mesure du rapport G du volume de métal enlevé au volume d’abrasiféliminé, pour des épaisseurs de métal enlevé de 0,50 mm.


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

4.5.1 Corrosion en milieu aqueux

Les facteurs déterminants qui conditionnent dans ce cas la dégra-dation par corrosion peuvent être classés en quatre groupes :

— les facteurs chimiques : concentration du milieu, teneur enoxygène, pH, température ;

— les facteurs électrochimiques : différence de potentiel, effet decouplage des matériaux ;

— les facteurs métallurgiques ou structuraux : composition dumétal ou de l’alliage, procédé d’élaboration, impuretés, traitementthermique, taux d’écrouissage ;

— les facteurs mécaniques : contraintes résiduelles, état dessurfaces, sollicitations mécaniques.

Dans ce cas plus spécifique de la dégradation par corrosion,l’action mécanique apportée par le glissement des deux surfacesantagonistes entraîne des déformations plastiques superficielles etune élimination de la couche passive. Il en résulte une augmentationdu courant de corrosion, avec apparition des effets précédemmentindiqués, et notamment la corrosion générale et la corrosion loca-lisée. Cette augmentation du courant de corrosion est d’autant plusimportante que la cinétique de formation de la couche protectricedans le milieu considéré est faible. Il s’agit donc d’une compétitionentre l’élimination de la couche passive par voie mécanique et laformation de cette dernière dans le milieu considéré. La cinétiquede formation de la couche passive est d’autant plus forte que lateneur en chrome de l’acier est plus élevée. Les aciers qui résistentle mieux dans ces conditions sont les aciers à outils dits inoxydablesavec 15 % de chrome et des additions d’azote comme l’acierX 30 CrMo 15, dont la teneur en azote peut atteindre 0,35 % si lanuance est élaborée sous pression par le procédé PESR.

4.5.2 Corrosion dans les bains fondus

Dans le domaine de la coulée sous pression des alliages légersou du contact avec des bains fondus comme les bains de galva-nisation, l’usure par corrosion de l’acier à outils au contact du métalliquide est contrôlée par la diffusion de fer dans le métal liquide(Al et Zn dans les exemples précités) et par la formation de composésdéfinis. D’une manière générale, la fissilité de ces composés définisentraîne une aggravation du phénomène de corrosion. À titred’exemple, la vitesse de corrosion est de 8,3 × 10–7 m/s pour l’acierX 38 CrMoV 5 traité pour 48 HRC dans le cas de la coulée sous pres-sion de l’aluminium à 650 oC. Par contre, pour les aciers à hauteteneur en Cr, Mo et V, il y a un enrichissement en ces éléments dansles composés formés en surface qui augmente leur résistance à lafissuration et qui entraîne par conséquent une réduction de la vitessede corrosion. À titre d’exemple, la vitesse de corrosion de l’acierrapide HS 6-5-2 traité pour 65 HRC dans les conditions précitéesd’injection d’aluminium à 650 oC est de 1,85 × 10–7 m/s, ce qui aug-mente la résistance à l’usure d’un facteur 4,5 par rapport à l’acierà outil X 38 CrMoV 5. La faible solubilité des carbures de vanadiumdans le métal liquide contribue à renforcer la tenue de la surface.

5. Classificationdes aciers à outils

Dans le domaine de la mise en forme avec ou sans enlèvementde copeaux, le critère déterminant pour l’outil est le maintien dela dureté, de la ténacité et de l’état de surface à la températureatteinte dans sa partie active. Si cette température est relativementbasse, par exemple inférieure ou égale à 150 oC, on aura affaire àdes aciers de travail à froid ; en revanche, si elle est supérieureà 300 oC, on aura affaire à des aciers de travail à chaud ou à desaciers rapides.

La classification des aciers à outils entre le travail à froid et letravail à chaud se fait donc essentiellement sur le critère de ladureté à chaud.

■ Les aciers pour travail à froid sont caractérisés par une très grandedureté à la température ambiante, supérieure ou égale à 55 HRC,mais par une faible dureté à chaud ; ils sont divisés, selon leur teneuren éléments d’alliage en deux groupes :

— les aciers à outils non alliés pour travail à froid (classe 1) ;— les aciers alliés pour travail à froid (classe 2).

■ Les aciers à outils alliés pour travail à chaud (classe 3) sont carac-térisés par une dureté à la température ambiante relativementélevée, comprise entre 40 et 56 HRC, et par une bonne dureté à chaud(article Données numériques sur les aciers à outils [M 332] dans cetraité).

■ Les aciers rapides (classe 4) sont caractérisés par une très grandedureté à la température ambiante, supérieure à 60 HRC, et par unetrès bonne dureté à chaud (article précédemment cité [M 332]).

Les nuances d’aciers à outils ont fait l’objet d’une réactualisationde la norme NF A 35-590 qui a pris effet de 20 décembre 1992. Cettenorme définit les nuances d’aciers les plus couramment utilisées enfonction de leur composition chimique, leur mode de travail ets’applique aux produits laminés ou forgés tels que barres à sectionronde ou carrée, tôles, plats et larges plats, fil machine... Les désigna-tions symboliques définies dans cette norme ont été attribuéesconformément à l’Euro-norme EN 10027-1 et Cl 10. Il existe des équi-valences entre ces désignations symboliques et les désignationsanciennes, données selon les instructions du fascicule de documen-tation A 02-005-3 (article Données numériques sur les aciers àoutils [M332]).

5.1 Aciers à outils non alliéspour travail à froid (classe 1)

5.1.1 Définition

Ils furent les premiers et, pendant de longues années, les seulsaciers à outils. Ce sont les plus simples puisqu’ils ne contiennentque du fer et du carbone, les autres éléments y étant présents enteneurs résiduelles variables selon les matières premières et lemode d’élaboration utilisés.

Chacun des trois groupes est caractérisé par la teneur en élémentsrésiduels ; c’est ainsi que le soufre et le phosphore sont admis à desteneurs inférieures à 0,020 % dans le premier groupe, 0,025 % dansle second groupe et 0,035 % dans le troisième groupe. De même,la somme des éléments métalliques d’addition (chrome, cuivre,nickel, molybdène) est inférieure à 0,4 % dans le premier groupe,0,6 % dans le second (à l’exception des deux aciers C 120 E3 U Cr 4et C 140 E3 U Cr 4 qui comportent des additions de chrome) et 0,7 %dans le troisième groupe. Enfin, les fourchettes en manganèse etsilicium (Mn ≈ 0,2 %-Si ≈ 0,2 %) s’élargissent lorsque l’on passe dupremier au troisième groupe.

Certaines nuances du premier groupe peuvent recevoir des addi-tions de vanadium comprises entre 0,05 et 0,20 % pour affiner legrain (exemple C 105 E2 U V1), et certaines nuances du deuxièmegroupe, des additions de chrome comprises entre 0,2 et 0,5 % pouraugmenter la pénétration de trempe.

Leur classement, qui est fait pour illustrer et différencier leurspropriétés, se base essentiellement sur les éléments résiduels.On distingue trois groupes :

— les aciers extrafins (au carbone et/ou au carbonevanadium) ;

— les aciers fins (au carbone et au carbone/chrome) ;— les aciers d’usage général.


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

D’une manière générale, les aciers à outils non alliés pour travailà froid sont forgés entre 800 et 1 000 oC ; le traitement de recuit peutêtre fait, soit aux environs de 750 à 800 oC avec un refroidissementlent (four ou vermiculite), soit entre 600 et 700 oC, avec un refroi-dissement à l’air. Suivant le traitement effectué, la structure estconstituée, soit par de la perlite lamellaire fine, favorable pourl’usinabilité, soit par une perlite plus globulaire, favorable pour letraitement thermique. Il faut éviter, au cours de ce traitement, laformation d’un réseau de cémentite intergranulaire et grossier.

5.1.2 Propriétés

5.1.2.1 Dureté

La dureté des aciers à outils non alliés pour travail à froid est rela-tivement élevée car elle est donnée par la teneur en carbone. Lorsquecette teneur est supérieure à 0,6 %, la dureté est supérieure à 60 HRC.En revanche, la pénétration de trempe de ces aciers est très faiblecar cette propriété est donnée par les éléments d’alliage qui sontprésents en très petite quantité. Pour un outillage donné, il y auradonc simplement une pellicule superficielle de quelques millimètresd’épaisseur de structure martensitique sur un cœur non transformépar manque de trempabilité.

5.1.2.2 Ténacité

Les aciers au carbone, après trempe à l’eau, ont une profondeurde trempe faible et un cœur non dur. La ténacité est donc en partiefonction de l’importance du volume non trempé de la pièce qui luipermet de supporter certaines sollicitations aux chocs. Le caractèretenace d’un acier au carbone est également fonction de la grosseurde grain obtenue après trempe. Plus ce grain sera fin, meilleure serala ténacité. L’évolution de la grosseur de grain et de la profondeurde trempe en fonction de la température d’austénitisation est beau-coup plus dispersée dans les aciers des deux derniers groupes quedans les aciers du premier groupe, en raison des écarts de teneursen éléments résiduels. Par ailleurs, la marge de température donton dispose pour la trempe est relativement étroite dans les aciersfins et d’usage général en raison de la sensibilité de ces aciers auphénomène de surchauffe.

5.1.2.3 Résistance à l’usure

Elle est faible, mais peut être améliorée par une augmentation dela teneur en carbone (teneur minimale : 1 %). C’est un des caractèresles plus déficients des aciers au carbone, qui ne peut être vala-blement amélioré que par l’addition d’éléments carburigènes.

5.1.2.4 Résistance au revenu

La dureté de 60 HRC obtenue après trempe à l’eau depuis 790 oCet revenu à 200 oC baisse très rapidement dès que l’on dépassedes températures de revenu de 300 oC (50 HRC après un revenu de2 h à 350 oC). Cet abaissement est sensible quelle que soit lateneur en carbone de l’acier (article Données numériques sur lesaciers à outils [M 332] dans ce traité).

5.1.2.5 Déformations au traitement thermique

Les déformations dues à la variation du volume spécifique de lacouche trempée d’un acier au carbone varient proportionnellementà ce volume trempé et conduisent à une expansion. Ces déforma-tions seront donc d’autant plus faibles que la profondeur de trempesera plus réduite. Lors du traitement thermique, les déformationsles plus à craindre sont celles qui concernent non pas le changementde volume, mais le changement de forme ; ces changements deforme sont souvent importants et conduisent, par exemple, à desflèches ou des voilages et cela d’autant plus que les caractéristiquesmécaniques à chaud de ces aciers sont faibles. C’est ce qui donneaux aciers au carbone la réputation de se déformer facilement auxtraitements.

5.1.3 Domaines d’emploi

Les aciers au carbone, simples par leur composition chimique,sont difficiles à bien traiter pour obtenir une dureté correcte ensurface et conserver un cœur tenace sans déformations exagérées.Ils sont utilisés essentiellement pour des emplois dans lesquelsl’outil ne risque pas de s’échauffer.

Les aciers extrafins du premier groupe sont utilisés commeoutils de coupe pour les nuances les plus carburées telles que leC 105 E 2 U (Y1 105) (lames, forets, alésoirs, ciseaux, couteaux,tarauds,...) et comme outils résistant aux chocs pour les nuancesles moins carburées telles que le C 70 E 2U (Y1 70) (marteaux,bouterolles, outils de forge,...).

Les aciers fins du deuxième groupe sont recherchés lorsque sepose un problème de trempabilité sur pièces plus massives oulorsque l’on cherche à accroître la profondeur de la couche trempéepour éliminer certains risques d’écaillage. Ces aciers se trempent àl’eau mais il est possible d’envisager dans certains cas des milieuxde trempe moins sévères tels que les bains de sels par exemple.Les principales applications des aciers de ce groupe sont, en partantdes nuances les plus carburées, les tarauds, limes, burins, boute-rolles, lames de découpe, faux, faucilles, poinçons, matrices defrappe, etc.

Les aciers d’usage général du troisième groupe sont recherchéslorsque les conditions d’utilisation n’exigent pas une trop grandefinesse de grain, ni même une trop grande trempabilité. En outre,la fabrication de certains outils est souvent faite en grande série etdoit être réalisée en tenant compte des facteurs économiques. Cettefabrication doit être facile, donc l’opération de trempe ne doit pasdonner lieu à difficultés. Cela conduit à admettre une profondeur detrempe plus importante. En présence de chocs, il faut chercher àaccroître la ténacité de ces aciers au détriment de la dureté. Les aciersde ce groupe ont donc des teneurs en carbone abaissées par rapportaux aciers fins et extrafins. Pour les nuances les plus carburées(C 55 E 4 U et C 65 E 4 U), la trempe à l’huile ou en bain de sels estrecommandée.

Pour les nuances à moins de 0,55 % de carbone, la trempe peutse faire à l’eau à condition que la teneur en éléments résiduels, enparticulier le manganèse ou le chrome, ne soit pas trop importante(Mn < 0,6 % ; Cr < 0,3 %). Les aciers de ce groupe sont utilisés engénéral pour les outils à main, la martellerie, la taillanderie et lesoutillages agricoles (pics, pioches, socs...).

5.2 Aciers à outils alliéspour travail à froid (classe 2)

Les aciers non alliés se révèlent insuffisants pour beaucoupd’emplois en raison, soit d’une faible capacité de trempe, soit d’unetrop grande fragilité, soit encore d’un manque de résistance à l’usure.Les additions d’éléments d’alliage vont avoir pour but de remédierà ces insuffisances.

Cela nous conduit à diviser les aciers de la classe 2 en cinqgroupes :

— les aciers résistant à l’usure ;— les aciers à très haute résistance à l’usure ;— les aciers résistant aux chocs ;— les aciers résistant à certaines corrosions ;— les aciers à haute limite d’élasticité.


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

5.2.1 Aciers résistant à l’usure

La résistance à l’usure nécessite la présence, dans une matricemartensitique, de carbures non dissous contenant du chrome, dutungstène et du vanadium, beaucoup plus durs que les carbures defer que l’on peut trouver dans les aciers au carbone faiblement alliés.Par conséquent, les nuances que nous allons rencontrer dans cettecatégorie d’aciers à outils dérivent directement des aciers fins pardes additions d’éléments carburigènes tels que le chrome et le tungs-tène, éventuellement le vanadium, ou d’éléments modifiant l’activitédu carbone tels que le silicium.

5.2.1.1 Aciers au chrome

L’addition de chrome aux aciers fins les plus carburés est à l’originede la famille d’aciers alliés résistant à l’usure la plus répandue. Lesteneurs en chrome extrêmes sont 0,60 % (100 Cr 2) et 1,60 %(100 Cr 6). Tous ces aciers se forgent entre 800 et 1 100 oC, avecrefroidissement lent des barres ; le recuit est effectué à 750 ou à800 oC, toujours avec refroidissement lent (de l’ordre de 25 oC/h),la trempe peut se faire à l’eau ou à l’huile à partir de 800 ou 850 oC.

Pour augmenter la trempabilité, la stabilité des carbures et la résis-tance à l’usure, on peut être amené à faire des additions de molyb-dène (0,15 à 0,50 %) ou de vanadium (0,10 à 0,30 %). La figure 40donne quelques courbes de dureté en fonction de la températurede revenu d’aciers à 1 ou 1,4 % de carbone, à teneur variable enchrome, avec ou sans additions de molybdène et vanadium. Lestempératures de revenu les plus couramment utilisées se situent auxenvirons de 200 oC.

L’acier de ce groupe le plus connu est le 100 Cr 6 (Y 100 C 6), avecou sans additions de molybdène ou de vanadium, utilisé pour lesroulements ou certains cylindres de laminoirs. La figure 41 donneles courbes TRC de cet acier après trempe à 850 oC. Le domainebainitique est très important et la dureté chute rapidement lorsquela vitesse de refroidissement diminue. La trempabilité de l’acier aug-mente sensiblement lorsqu’on élève la température d’austénitisa-tion, mais il peut y avoir dans la structure des quantités importantesd’austénite résiduelle dont la transformation en martensite sousl’influence des sollicitations mécaniques peut contribuer à accentuerl’endommagement en service.

Citons quelques utilisations : tarauds, fraises, outils pour le travaildu bois, lames de cisailles, galets, cylindres de laminoirs, outils dedécoupage ou d’emboutissage, calibres, etc.

5.2.1.2 Aciers au tungstène

Le tungstène est un élément plus avide de carbone que le chrome.Il forme des carbures stables, difficiles à mettre en solution etdiminuant l’aptitude au grossissement du grain. Ces aciers sont doncréputés pour leur résistance à l’usure et leur grain fin, mais ils n’ontpas une grande trempabilité, surtout aux basses températuresd’austénitisation et sont généralement refroidis à l’eau. L’acier dece type le plus connu est l’acier à 1,2 % de carbone et 1,3 % de tungs-tène utilisé pour les alésoirs, les lames de scie ou les tarauds.

En présence de carbone, il est difficile d’augmenter la teneur entungstène au-delà de 2 % car cet élément rend l’acier sensible à ladécarburation et à la graphitisation. Pour pouvoir faire des trempesà l’huile, on est amené à ajouter à l’acier un peu de chrome (0,3à 0,8 %) ou du manganèse : par exemple l’acier 105 W Cr 5.

5.2.2 Aciers à très haute résistance à l’usure

Il s’agit là d’un des groupes les plus importants des aciers àoutils. La résistance à l’usure est obtenue par de fortes additionsde chrome qui, simultanément, augmentent la capacité de trempeau point que certains de ces aciers peuvent subir la trempe parsimple refroidissement à l’air, ce qui permet de les classer parmiles aciers indéformables.

5.2.2.1 Aciers au manganèse

Les aciers de ce groupe se distinguent des aciers fins au carbonepar une substitution de la trempe à l’huile à la trempe à l’eau.L’augmentation de trempabilité est obtenue par une addition demanganèse et la nuance de base de ce groupe est le 90 MnV 8, acierà 2 % de manganèse avec addition de vanadium. Comme les aciersau carbone, ils se trempent à 780 oC et subissent un revenu aux envi-rons de 200 oC. Les recuits sont effectués, soit au-dessus de Ac1 entre750 et 775 oC, avec un refroidissement lent (par exemple 20 oC/h),soit au-dessous de Ac1 , vers 700 oC, avec un refroidissement plusrapide (par exemple à l’air) ; la structure obtenue est alors soitperlitique lamellaire, soit perlitique globulaire.

L’addition de vanadium aux aciers de ce groupe limite leursensibilité au grossissement du grain, ce qui permet d’effectuer destrempes aux environs de 800 oC, avec une bonne trempabilité. D’unemanière générale, ces aciers donnent peu de déformations aux trai-tements thermiques ; on les utilise pour tous les outillages de formecompliquée qui peuvent poser des problèmes à la trempe (tapures,déformations) : calibres, jauges, poinçons et matrices de découpage.

5.2.2.2 Acier à 5 % de chrome

Il s’agit d’un prolongement vers les teneurs en chrome plus éle-vées du groupe d’aciers du type 100 Cr 6. Étant plus chargé enchrome et comportant des additions importantes de molybdène (0,9à 1,3 %) et de vanadium (0,15 à 0,35 %), cet acier X 100 CrMoV 5 estcaractérisé par une très grande résistance à l’usure et une bonnetrempabilité qui rend possibles des refroidissements à l’huile ou à

Figure 40 – Dureté, après trempe et revenu,d’aciers d’outillage à froid résistant à l’usure,à teneur en chrome variable, avec ou sans additions de molybdèneet vanadium


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

l’air. Les additions importantes de molybdène et de vanadium aug-mentent nettement la résistance au revenu de cet acier (figure 36).On note même un durcissement secondaire pour les températuresde trempe les plus élevées.

Cet acier est forgé entre 1 150 et 900 oC avec préchauffage etrefroidissement lent ; le recuit est effectué, soit à 850-900 oC avecun refroidissement très lent (< 20 oC/h), soit à 650-700 oC avec unrefroidissement lent (par exemple, refroidissement au four). Latrempe se fait entre 925 et 1 000 oC avec préchauffage.

Cet acier est utilisé dans les cas de pièces devant résister à l’usure,aux chocs, et à l’échauffement en service : matrices de découpagepour des produits dont la température peut atteindre 700 oC, calibres,jauges, etc. Une nuance dérivée du type X 80 CrMoV 5 est utiliséecouramment pour les cylindres de laminoir à froid à l’état forgé dansles équipements Tandem en raison de ses bonnes propriétés de résis-tance à l’échauffement, au frottement et à l’usure.

5.2.2.3 Aciers à 12 % de chrome

Ce sont les plus alliés et, par conséquent, les plus résistants àl’usure des aciers d’outillage à froid. La composition de base est2 % C, 12 % Cr (X 200 Cr 12). De nombreuses variantes sont néesautour de cette composition dans le but d’améliorer certaines pro-priétés particulières avec des additions plus ou moins importantesd’éléments tels que le molybdène, le vanadium et le cobalt :

— le molybdène (de 0,50 à 1,1 %) augmente la trempabilité,stabilise les carbures et augmente la résistance à l’échauffement ;

— le vanadium (de 0,15 à 1 %) stabilise les carbures et aug-mente la résistance à l’usure ;

— le cobalt (≈ 2,5 %) augmente la température du point Ms, cequi permet de tremper l’acier à des températures plus élevées sanstrop avoir d’austénite résiduelle. De plus, cet élément donne à l’acierune plus grande résistance à chaud.

La transformation à chaud de ces aciers est effectuée entre 1 100et 900 oC, avec chauffage lent et refroidissement très lent(< 20 oC/h) ; le recuit peut se faire soit à 850-900 oC, soit à 800 oCavec, dans les deux cas, un refroidissement lent (25 oC/h). La trempeest faite à l’huile pour une température d’austénitisation compriseentre 950 et 1 030 oC, à l’air pour une température d’austénitisationcomprise entre 970 et 1 050 oC. Avant la trempe, il est nécessaired’effectuer un simple ou double préchauffage à 750-800 oC pourfranchir très lentement les points de transformation α → γ. L’austé-nite résiduelle pourra être déstabilisée par une réfrigération à – 80 oCimmédiatement après la trempe. Le traitement de revenu sera faittout de suite après la trempe à une température de 180 à 200 oC ouplus selon l’emploi de l’acier.

La combinaison molybdène-vanadium-cobalt est celle quiprésente le plus d’intérêt au niveau de la dureté ; l’acierX 160 CrCoMoV 12-3, trempé à partir de 1 050 oC, conserve desduretés supérieures à 58 HRC jusqu’à 550 oC, ce qui peut être trèsintéressant pour l’aptitude aux traitements de surface, tels que lanitruration par exemple.

Certaines nuances contenant environ 1 % de vanadium(X 160 CrMoV 12) sont très difficiles à usiner ; il est possible d’amé-liorer cette propriété par l’addition de petites quantités de soufre(0,10 à 0,15 %). Parmi les principaux domaines d’utilisation, nousciterons les filières d’étirage, les guides de laminoirs, les outils dedécoupage, les matrices d’estampage, les lames de cisailles pourmatériaux durs et les petits cylindres de laminoirs à froid, pour équi-pements multicylindres. Il est à signaler toutefois que de tels acierspeuvent être livrés à l’état moulé par centrifugation pour réaliser descylindres de laminoirs à froid dans les équipements Tandem.

5.2.3 Aciers résistant aux chocs

Ces aciers devant résister aux chocs mécaniques, une moindrefragilité est obtenue en diminuant la teneur en carbone, ce quientraîne une diminution de la dureté qui est habituellement limitéeà 56-58 HRC.

5.2.3.1 Aciers au silicium

Ces aciers sont très couramment utilisés comme aciers deconstruction mécanique, en particulier pour les divers types deressorts. Cela est lié au relèvement, par le silicium, de la limite d’élas-ticité. C’est la même raison qui les fait employer comme aciers àoutils pour leur bonne résistance aux chocs et à la fatigue mécanique.

Figure 41 – Acier 100 Cr 6 (Y 100 C 6) : courbes TRC

Nous distinguons quatre types de nuances selon les élémentsd’addition :

— les aciers au silicium ;— les aciers au chrome ;— les aciers au tungstène ;— les aciers au nickel.


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

Avec de faibles teneurs en carbone (0,40 à 0,50 %), et en manga-nèse compris entre 0,5 et 0,8 %, on obtient des aciers faciles à mettreen œuvre par trempe à l’eau et capables de donner des niveaux dedureté de 50 à 55 HRC dans les couches trempées avec un cœur àl’état normalisé dont les niveaux de résistance et de limite d’élasticitésont au minimum de 800 et 600 MPa. Avec des teneurs en carboneplus élevées (0,50 à 0,65 %), on obtient des aciers trempant à l’huileavec, en surface, des niveaux de dureté et de résistance à l’usureplus élevés et, au centre, des niveaux de résistance et de limite d’élas-ticité supérieurs respectivement à 900 et 700 MPa.

Ces aciers au silicium, sans autres éléments d’alliage, sont inté-ressants en raison de leur prix de revient peu élevé ; toutefois, ilsprésentent un certain nombre d’inconvénients : tendance à la décar-buration, profondeur de trempe assez faible (article Données numé-riques sur les aciers à outils [M 332] dans ce traité), nécessité de faireune trempe énergique à haute température (900 oC) en raison durelèvement par le silicium des points de transformation, d’où grossis-sement du grain et déformations importantes.

C’est pour remédier à tous ces inconvénients qu’on a créé desnuances avec addition de chrome, de molybdène et de vanadium.Avec ces éléments d’addition, l’accroissement de trempabilitédevient très important et des aciers à 0,55 % C-1,70 % Si-1 %Cr-0,4 % Mo trempent profondément à l’huile et peuvent êtretrempés à l’air (courbes Jominy de la figure 42). Outre l’augmen-tation de trempabilité, on note également une augmentation de larésistance au revenu, ce qui permet, pour un certain niveau de dureté(≈ 54 HRC), de traiter ces aciers à une plus haute température derevenu (≈ 300 oC) et d’améliorer leurs caractéristiques de ductilité.

Ces aciers se forgent entre 1 100 et 850 oC, ils doivent être recuitspour pouvoir être usinables (intervalle de température 800-850 oC ;refroidissement lent, de l’ordre de 25 oC/h) ; nous pouvons citerquelques utilisations : couteaux, griffes, lames, outils agricoles,outils pneumatiques, corps d’outils à plaquettes d’acier rapiderapportées.

5.2.3.2 Aciers au chrome

Une seconde série d’aciers résistant aux chocs, à teneur encarbone relativement basse, contient comme élément essentiel duchrome, avec éventuellement des additions de molybdène ou devanadium.

Avec 1 % de chrome ou plus, la trempabilité croît rapidement etpermet de pratiquer des trempes plus douces à l’huile ou en bainde sels qui ne présentent aucun danger. Sur la figure 43, nous avonsreprésenté les courbes TRC de l’acier 42 CrMo 4. Une plus forteteneur en chrome et une addition de molybdène permettent d’aug-menter dans cet acier la trempabilité, la résistance à l’usure et larésistance à l’adoucissement par revenu (nuance 35 CrMnMo 7).Citons quelques utilisations : outils à bois, poinçons, matrices deserrage, outils à main, etc.

Figure 42 – Courbes Jominy montrant l’augmentationde trempabilité d’aciers à outils alliés pour travail à froid,par addition de silicium ou de silicium-chrome-molybdène

Figure 43 – Acier 42 CrMo 4 : courbes TRC


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

5.2.3.3 Aciers au tungstène

Le tungstène, élément formateur de carbures stables à chaud,favorise, tout comme le vanadium, le maintien d’une grande finessede grain dans une fourchette de températures de trempe élargie versle haut (article Données numériques sur les aciers à outils [M 332]).Fixant une partie du carbone aux faibles températures d’austéniti-sation, il agit peu sur la trempabilité et permet, par contre, un accrois-sement de ténacité appréciable.

Pour les aciers de travail à froid, les additions de tungstène nedépassent pas 2 %, elles sont souvent accompagnées d’additionsde chrome, ce qui permet d’augmenter suffisamment la trempabi-lité pour faire des traitements à l’huile ou en bain de sels. L’acier45 WCrV 8 contient du silicium (de 0,70 à 1,10 %) pour améliorerl’élasticité et l’endurance aux chocs.

Les caractéristiques de ductilité sont bonnes après trempeà 900-925 oC et revenu aux environs de 200 oC. Les opérations derecuit après transformation à chaud sont effectuées soit à 825-850 oC,soit à 720-750 oC. Citons quelques utilisations : outils pneumatiques,matrices et poinçons de découpage.

5.2.3.4 Aciers au nickel

Nous nous trouvons dans ce cas à la limite des aciers pour travailà froid et des aciers pour travail à chaud. Le nickel, associé à deséléments tels que le chrome et le molybdène, parfois le vanadium,donne à l’acier une bonne capacité de trempe et une bonne ductilité.L’opération de trempe est en plus facilitée par l’influence du nickelsur l’abaissement des points de transformation de l’acier ; latempérature de trempe maximale est 870 oC et les risques dedécarburation sont faibles, d’autant plus que le nickel joue en plusun rôle inhibiteur d’oxydation favorable.

Sur l’acier 35 NiCr 15, par exemple, on obtient avec facilité, mêmesur de grosses matrices, des structures martensitiques en surfaceet à cœur.

Pour avoir une bonne usinabilité, il faut effectuer un double recuitau-dessus et au-dessous de Ac1 (750 et 675 oC) avec, dans chaquecas, un refroidissement lent (≈ 25 oC/ h). Les principales utilisationsde ce type d’aciers sont les outils pour travail à main, les matricesde calibrage, les lames de cisailles, etc. On peut également signalercomme utilisation courante les matrices de forge à froid et les piècesdestinées à contenir des outils très résistants à l’usure, mais plusfragiles, dans le domaine de la mise en forme à froid.

5.2.4 Aciers résistant à certaines corrosions

Il est des cas où le milieu de travail de l’outil risque d’être agressifet entraîner des phénomènes de corrosion. L’élément principal deprotection est alors le chrome (Cr 12 %), élément favorable pourla constitution d’un acier à outils. Mais l’inoxydabilité recherchée nepeut être obtenue que par l’abaissement de la teneur en carbone,ce qui entraîne automatiquement une diminution des niveaux dedureté et de résistance à l’usure. La teneur en chrome est adaptéeà la teneur en carbone, passant de 13 à 17 % lorsque les teneursen carbone passent de 0,3 à 1 %. Dans certains cas, des additionsde molybdène peuvent être bénéfiques pour l’amélioration des pro-priétés de résistance à l’usure et à l’échauffement. Les aciers les plustypiques de cette catégorie sont le X 40 Cr 14 et le X 100 CrMo 17.On peut obtenir dans tous les cas, avec une bonne trempabilité, desniveaux de dureté compris entre 55 et 60 HRC après trempe etrevenu. Les températures de trempe sont comprises selon le typed’acier entre 1 000 et 1 050 oC et les températures de revenu sesituent au voisinage de 200 oC pour les nuances les plus carburéeset au voisinage de 500 oC pour les nuances les moins carburées.

Tous ces aciers peuvent se polir très facilement, ils sont utiliséspour les moules de matières plastiques, pour les outils tranchants(coutellerie, outils de chirurgie, lames de cisailles) ou pour lesroulements destinés à des utilisations jusqu’à des températuresvoisines de 200 oC (cas particulier de l’acier X 100 CrMo 17).

5.2.5 Aciers à haute limite d’élasticité

Il y a dans cette catégorie deux types d’acier, qui sont générale-ment livrés, à l’état prétraité, avec une dureté de l’ordre de 300 HB,et dont les caractéristiques mécaniques peuvent être améliorées parun revenu assurant un durcissement structural. Le premier de cesaciers est inoxydable austénit ique avec la désignationX 1 CrNiMoAl12-9 (type nuance AISI A 286) et peut être durci vers600 oC par précipitation de phase γ ’ Ni3 (Al, Ti), le second est un acierMaraging dont la structure brute de trempe est une martensite doucequi peut être durcie vers 500 oC par précipitation de phases inter-métalliques Ni3 Mo. Ce dernier correspond à la désignationX 2 NiCoMoTi 18-8-5.

Dans les deux cas, les propriétés requises par l’utilisation enservice sont obtenues par une simple opération de revenu qui mini-mise les risques de variations dimensionnelles et de distorsions auchauffage à haute température. Les domaines d’emploi sont trèsspécifiques et nécessitent soit une très grande ténacité (aciersMaraging), soit une résistance à la corrosion (acier inoxydable)jusqu’à des températures supérieures ou égales à 200 oC, à la limitede l’utilisation pour mise en forme à froid. C’est le cas notammentpour le moulage de résines techniques de haute qualité.

5.3 Aciers à outils alliéspour travail à chaud (classe 3)

D’une manière générale, les aciers pour travail à chaud doiventavoir une résistance à la déformation convenable, donc des carac-téristiques mécaniques à chaud et une résistance à l’usure élevéessans que la ténacité, indispensable pour limiter les risques defissuration rapide, soit trop sacrifiée, ainsi qu’une bonne tenue auxdifférences de température en cours de travail, causes de chocsthermiques. Ces aciers doivent avoir également une résistance à ladéformation suffisante lors des traitements thermiques, d’autantplus que les outils ont souvent des formes compliquées. La plupartdes aciers que nous étudions ici étant assez alliés, et contenant duchrome en particulier, ont une trempabilité élevée et répondentbien à cette exigence. Une bonne usinabilité est égalementrecherchée ; elle est obtenue par un traitement de recuit donnantla structure la plus favorable.

Les propriétés essentielles que doivent avoir les aciers pourtravail à chaud sont de bonnes caractéristiques de traction à chaudcompatibles avec une ténacité suffisante, ce qui limite leur teneuren carbone à une valeur inférieure à 0,6 %.

Le lecteur trouvera dans l’article Données numériques sur lesaciers à outils [M 332] des valeurs de caractéristiques mécaniquesentre la température ambiante et 600 oC pour la plupart des aciersdes trois premiers groupes avec une structure initiale martensitique.Les aciers du quatrième groupe résistant aux très hautes tempéra-tures (> 600 oC) ont une structure austénitique.

5.3.1 Aciers résistant aux chocs mécaniques

Ces aciers, du type chrome-molybdène ou nickel-chrome-molyb-dène, sont essentiellement conçus pour résister aux chocs(exemple : matrice de forge). Ils sont analogues aux aciers deconstruction, avec une teneur en carbone plus élevée et une additionde vanadium pour augmenter la résistance au revenu.

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Ces aciers sont répartis d’après la norme NF A 35-590 en cinqgroupes :

— les aciers résistant aux chocs mécaniques ;— les aciers résistant aux chocs thermiques ;— les aciers résistant à l’usure aux températures élevées ;— les aciers résistant aux très hautes températures ;— les aciers résistant à certaines corrosions.


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L’acier au chrome-molybdène-vanadium (45 CrMoV 6) a unebonne résistance au revenu ; il peut s’utiliser jusqu’à 550 oC s’il esttraité pour un niveau de résistance compris entre 1 250 et 1 400 MPaet jusqu’à 450 oC lorsque son niveau de résistance est de 1 600 MPa.Il est couramment trempé à l’huile à partir de 1 000 à 1 050 oC etsa capacité de trempe est bonne. Les revenus sont effectués, selonles conditions d’emploi, entre 500 et 650 oC.

Les aciers au nickel-chrome-molybdène ont une excellente trem-pabilité, surtout avec Ni = 4 % (40 NiCrMo 16), ce qui nécessite desprécautions particulières pour le refroidissement après forgeage etl’opération de recuit [double traitement à 780 oC et 650 oC avec refroi-dissement lent (≈ 25 oC/h) pour adoucir le plus possible le métal].Les températures de trempe normales sont comprises entre 850 et880 oC, avec un refroidissement à l’air ou à l’air soufflé selon la teneuren nickel. Les revenus sont faits à des températures comprises entre500 et 600 oC. Les caractéristiques de ductilité de ce type d’acier sontexcellentes mais, comme le montrent les courbes de la figure 44,sa résistance à l’adoucissement, comparativement à celle de l’acierau chrome-molybdène-vanadium, est faible, ce qui limite ses condi-tions d’emploi aux températures inférieures à 500 oC.

Citons quelques exemples d’utilisation de ce premier grouped’aciers d’outillage à chaud :

— pour les aciers sans nickel : âmes de conteneurs des pièces àfiler les alliages d’aluminium, matrices d’estampage ;

— pour les aciers au nickel : matrices d’estampage avec gravuresprofondes dont l’échauffement est limité. Selon les dimensions desmatrices, le niveau de résistance visé varie entre 1 100 et 1 300 MPa.

5.3.2 Aciers résistant aux chocs thermiques

Ce groupe comprend les aciers à 5 % de chrome avec additionsde molybdène, tungstène, vanadium, les aciers à 3 % de chrome avecde fortes additions de molybdène ou éventuellement de cobalt,l’acier à 5 % de chrome et 3 % de molybdène et l’acier à 3 % de nickelavec 3 % de molybdène.

5.3.2.1 Aciers à 5 % de chrome

L’acier à 5 % de chrome, 1,30 % de molybdène, 0,5 % de vanadiumet 0,38 % de carbone (X 38 CrMoV 5) est le plus important de la série.Il a à la fois une bonne capacité de trempe et une dureté élevée àchaud avec une ductilité suffisante. Les opérations de forgeage etde recuit doivent être conduites avec précautions et comporter despréchauffages vers 650 à 700 oC suivis de refroidissements lents(≈ 25 oC/h) au moins jusqu’à 700 oC. La température d’austénitisa-tion est voisine de 1 000 oC et la trempe se fait essentiellement parétape à 520 oC pour éviter les risques de tapures. La figure 35 montrela bonne résistance au revenu de cet acier ; les traitements sont faitsen pratique entre 550 et 650 oC selon la dureté désirée.

Cet acier, quoique fragile à la température ambiante, conserve uneductilité acceptable à chaud ; il est utilisé pour les matrices d’estam-page de pièces de grandes séries, pour les moules de coulée souspression des alliages d’aluminium ou pour les filières.

Des additions complémentaires de vanadium allant jusqu’à 1,5 %ou éventuellement de tungstène (1,5 %) (X 38 CrWMoV 5) amé-liorent d’une manière assez sensible la dureté à chaud de cet acier(figure 45).

Parmi les nuances d’aciers à 5 % de chrome, il faut signaler lanuance à 3 % de molybdène dont les caractéristiques essentiellessont une bonne trempabilité, une résistance à l’usure élevée et uneexcellente aptitude aux traitements de surface (nitruration). Cettenuance d’acier, trempée avec les moyens actuels que permettent leslits fluidisés et les équipements de fours sous vide avec trempe sousgaz, est utilisée principalement pour les matrices de presse à forgerjusqu’à 140 mm d’épaisseur, pour les moules de coulée sous pres-sion des alliages non ferreux (notamment des cuivreux), à condition

que les dimensions de ces moules ne soient pas trop importantes,pour les broches, les douilles d’injection, les âmes de conteneurs,pour les problèmes de filage des alliages ferreux et non ferreux. Parailleurs cet acier est également utilisé comme outillage de forge surpresse.

Figure 44 – Courbes de revenu d’aciers à outils alliéspour travail à chaud résistant aux chocs

Figure 45 – Influence du vanadium sur la dureté à chaud d’aciersà 5 % de chrome


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

5.3.2.2 Acier à 3 % de chrome

Cet acier 32 CrMoV 12-28 se distingue des précédents par uneteneur en chrome plus faible et une addition de 3 % de molybdène.Le molybdène lui donne une résistance au revenu et une trempa-bilité excellentes. Par ailleurs, les caractéristiques mécaniques àchaud sont améliorées d’une manière sensible. Les conditions detransformation à chaud et de traitements thermiques de cet aciersont à peu près les mêmes que celles des aciers à 5 % de chromeclassiques.

Les emplois sont analogues à ceux des aciers précédents, avecdes températures d’utilisation un peu plus élevées et des conditionsde travail où les chocs doivent être évités comme sur l’acierX 38 CrMoV 5-3. Cet acier convient très bien pour le moulage souspression du laiton ou pour les machines à forger.

5.3.2.3 Acier à 3 % de nickel

On utilise assez souvent pour le matriçage un acier dont les pro-priétés sont différentes de celles des aciers au chrome. Il s’agit d’unacier à 3 % de nickel, 3 % de molybdène et 0,2 % de carbone(20 MoNi 34-13) dont les caractéristiques d’emploi sont obtenues parun durcissement secondaire lié à la précipitation du carbure typeM2C.

L’intérêt de cet acier est double : par trempe à l’air depuis1 000-1 050 oC, la structure est bainitique homogène sur de grandesdimensions et le niveau de résistance est voisin de 1 300 MPa.L’usinage est alors facile ; le durcissement est obtenu par un simplerevenu à 500 oC (Rm = 1 600 MPa) ou par les opérations de travailà chaud. On a alors en service une surface relativement dure etrésistante à l’usure alors que l’intérieur de la matrice conserve unebonne ductilité. Cet acier est utilisé pour les matrices de forge, essen-tiellement sur presses ; l’intérêt qu’il présente par rapport aux aciersà 5 % de chrome est qu’il ne pose aucun problème de trempabilitéet de déformations aux traitements.

5.3.3 Aciers résistant à l’usureaux températures élevées

Ce groupe comporte essentiellement des aciers avec addition detungstène pour augmenter la résistance à l’usure, de chrome pouraméliorer la capacité de trempe, et de vanadium pour renforcer larésistance à l’échauffement et à l’usure.

Ces aciers riches en tungstène nécessitent, pour les opérations detransformation à chaud et de recuit, les mêmes précautions que lesaciers de la série précédente, c’est-à-dire préchauffage à 650 puis850 oC, refroidissement très lent (< 20 oC/h) entre 850 et 500 oC. Leforgeage se fait entre 1 150 et 900 oC, le recuit vers 850 à 875 oC ouvers 750 à 780 oC s’il s’agit d’un simple adoucissement.

Pour l’acier à 5 % de tungstène (X 32 WCrV 5), la trempe peut sefaire à 1 000-1 070 oC à l’huile ou par étape à 520 oC. Après revenu,le niveau de dureté de cet acier est pratiquement constant jusqu’àdes températures de revenu atteignant 600 oC.

L’acier à 9 % de tungstène (X 30 WCrV 9) se trempe entre 1 150et 1 180 oC avec des refroidissements à l’huile ou à l’air soufflé, éven-tuellement par étape aux environs de 520 oC lorsque les dimensionsdes pièces le permettent. La figure 35 montre que cet acier présenteles plus hauts niveaux de dureté jusqu’à des températures de revenusupérieures à 600 oC. Le niveau de durcissement secondaire s’élèvejusqu’à 56 HRC lorsque la température de trempe atteint 1 200 oC.Cet acier a une excellente dureté à chaud et il peut être utilisé jusqu’à700 oC avec des niveaux de résistance voisins de 1 200 MPa.

Dans ce groupe d’aciers figurent également les nuances ditessemi-rapides caractérisées par des additions importantes de molyb-dène et de vanadium, ainsi que par des teneurs élevées en carbone.Il s’agit notamment des aciers X 56 CrMoWV 4 et 80 MoCrV 42-16dont les températures de trempe sont voisines de 1 150 oC et quisubissent les mêmes types de revenus que les aciers à coupe rapide.Les conditions de transformation à chaud et de recuit de ces aciers

sont également proches de celles des aciers à coupe rapide. Lesaciers de ce groupe sont utilisés en général pour les moules defonderie sous pression, les filières d’extrusion ; les pièces serontfrettées s’il y a des risques de chocs en raison des problèmes defragilité.

Les éléments d’addition les plus employés sont le chrome et lenickel pour augmenter la trempabilité, le cobalt pour améliorer ladureté à chaud.

Nous avons synthétisé les conditions d’emploi des aciersd’outillage à chaud sous la forme d’un tableau à double entrée quidonne, en fonction de la température de travail et de la résistanceà l’ambiante, la nuance la plus appropriée (tableau 10). Pour chaquecas d’utilisation, nous avons énuméré les principaux aciers par ordrede ductilité décroissante et de résistance à l’usure croissante. Cetableau n’a été fait qu’à titre indicatif car il est le résultat d’essaisde laboratoire qui, bien que proches des conditions d’utilisation, nepeuvent pas simuler dans leur globalité les sollicitations en service.

5.3.4 Aciers résistant aux très hautes températures

Lorsque les températures d’emploi sont très élevées, supérieuresà 600-650 oC, il est nécessaire d’utiliser des nuances plus résistantesà chaud que les aciers martensitiques classiques.

Il est en effet clairement établi que la tenue à la fatigue thermiqueet la résistance à la déformation de l’outil sont directement reliéesaux propriétés mécaniques à chaud du matériau qui le constitue.Par conséquent, pour les outils extrêmement sollicités sur le planthermique, utilisés par exemple dans le filage de l’acier ou la coupedes brames à la sortie des trains à chaud, les structures martensi-tiques revenues ne sont plus suffisantes et il faut utiliser des struc-tures austénitiques résistant à la fois à la température et àl’oxydation. Les aciers résistant à très haute température retenus parla norme sont les deux aciers X 15 CrNiSi 25-20 et X 15 NiCrSi 37-18livrés en général à l’état hypertrempé après des mises en solutionà des températures comprises entre 1 070 et 1 150 oC.

5.3.5 Aciers résistant à certaines corrosions

Pour des outils destinés à travailler dans des conditions sévèresau niveau de l’agressivité jusqu’à des températures voisines de400 oC ou pour des outils utilisés dans le domaine de l’alimentaire,il est nécessaire d’utiliser des aciers inoxydables de structuremartensitique de façon à garantir un minimum de caractéristiquesmécaniques (niveau requis 35 HRC à 400 oC). Les deux aciers retenuspar la norme sont le X 20 Cr 13 et le X 21 CrNi 17, trempés à l’huiledepuis des températures comprises entre 1 000 et 1 020 oC etrevenus aux environs de 550 oC pour assurer un niveau de duretécompris entre 38 et 40 HRC à la température ambiante. Les propriétésanticorrosion de ces aciers seront utilisées pour la mise en formede résines de haute qualité, par exemple pour disques optiques,objectifs, pièces de machines alimentaires ou médicales...

5.4 Aciers à coupe rapide (classe 4)

Les aciers rapides étaient utilisés jusqu’au début de la décennie80 essentiellement comme outils de coupe. Il faut signaler que, denos jours, une part grandissante de ces aciers est utilisée commeoutils de découpage, d’emboutissage ou de frappe en remplacementdes aciers d’outillage à froid ou à chaud tels que les acierslédeburitiques au chrome ou les aciers de la famille X 38 CrMoV 5.Cette part peut être évaluée à plus de la moitié du marché des aciersrapides avec une évolution sensible provoquée par le développe-ment récent des structures à l’état brut de coulée obtenues parcentrifugation ou refusion sous laitier dans le domaine des cylindresde laminoir. (0)


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

Les caractéristiques requises pour la mise en forme avec ou sansenlèvement de copeaux sont essentiellement la dureté (à froid etsurtout à chaud), la résistance à l’usure et la ténacité.

Ces caractéristiques ont été obtenues au moyen d’additions impor-tantes d’éléments carburigènes tels que le tungstène, le molybdèneet le vanadium, combinés à des éléments tels que le chrome et lecobalt donnant, l’un la trempabilité, l’autre la dureté à chaud.

L’augmentation de la teneur en vanadium de ces aciers ainsi quel’augmentation correspondante de la teneur en carbone ont conduità la mise au point de nuances d’aciers rapides dites surcarburées,dont la résistance à l’usure et la dureté à chaud sont nettement supé-rieures à celles des aciers rapides classiques.

Malgré la diversité de leur composition chimique, la structure deces aciers est la même quel que soit leur traitement thermique. Ils’agit d’une dispersion de carbures spéciaux dans une matriceferritique ou martensitique. Les éléments à carbures se comportentsensiblement de la même manière au cours des différents traite-ments ; on admet même qu’il y a une certaine équivalence entreeux, ce qui permet de calculer le tungstène équivalent par la formuleprécédemment évoquée :

Weq = % W + 2 % Mo + 4 % V + 0,5 % Cr

et de faire un classement rapide des différentes nuances.

Les aciers à coupe rapide, dans l’ensemble très alliés, assez peuconducteurs et sensibles à la décarburation, surtout en présencede molybdène, se manipulent avec beaucoup de précautions.

Le forgeage s’effectue, pour les nuances classiques, entre 1 150et 950 oC ; pour les nuances surcarburées, cette fourchette detempératures est nettement diminuée (1 100-1 000 oC). Il est néces-saire de prolonger de 50 % la durée du maintien vers 800-850 oC pourque l’équilibre thermique soit bien atteint et de réduire le maintienà haute température au minimum nécessaire pour avoir une bonnehomogénéisation du produit et pour éviter le plus possible la décar-buration. Le refroidissement après forgeage doit être toujours trèslent (< 20 oC/h).

Les températures de recuit sont assez voisines pour tous cesaciers :

— de 850 à 900 oC avec une vitesse de refroidissement inférieureà 20 oC/ h au moins jusqu’à 500 oC ;

— ou 800 oC avec une vitesse de refroidissement de l’ordrede 25 oC/h.

Le traitement thermique de trempe et revenu doit obligatoirementregrouper les opérations suivantes :

— un préchauffage pour éliminer les contraintes liées à la trans-formation α → γ et en raison de la faible conductivité thermique dece type d’acier ; il est souvent recommandé deux préchauffages,l’un entre 540 et 650 oC, l’autre entre 850 et 870 oC ;

— une austénitisation à une température la plus élevée possiblecompte tenu des conditions d’emploi de l’acier et une trempe soità l’air, soit à l’huile, soit de préférence en bain de sels entre 500et 550 oC ;

— un ou plusieurs revenus aux environs de 550 oC, domaine detempérature qui correspond à peu près au maximum de durcisse-ment secondaire de l’acier. Il est souvent nécessaire, notammentdans les aciers surcarburés au cobalt, de faire 4 ou 5 revenussuccessifs pour éliminer complètement l’austénite résiduelle.

Tableau 10 – Choix des aciers à outils pour travail à chaud (1)

Niveau de résistance pour l’emploi à la

température ambiante

Température de travail (oC)

400 450 500 550 600 650 700(MPa)

1 100 à 1 25055 NiCrMoV 745 CrMoV 640 NiCrMo 16

X 38 CrMoV 532 CrMoV 12-28X 30 WCrV 9

X 30 WCrV 9

1 250 à 1 400 55 NiCrMoV 745 CrMoV 6

55 NiCrMoV 745 CrMoV 620 MoNi 34-13X 38 CrMoV 5

45 CrMoV 620 MoNi 34-13X 38 CrMoV 5X 35 CrWMoV 532 CrMoV 12-28X38 CrMoV 5-3

X 38 CrMoV 5X 35 CrWMoV 532 CrMoV 12-28X 38 CrMoV 5-3X32 WCrV 5

X 32 WCrV 5X 30 WCrV 980 MoCrV 42-16

1 400 à 1 600 55 NiCrMoV 745 CrMoV 6

45 CrMoV 6X 38 CrMoV 5

X 38 CrMoV 5X 35 CrWMoV 5X 32 WCrV 532 CrMoV 12-28X 38 CrMoV 5-3

X 38 CrMoV 5X 35 CrWMoV 532 CrMoV 12-28X 38 CrMoV 5-3

X 30 WCrV 980 MoCrV 42-16

1 600 à 1 750

X 38 CrMoV 5X 35 CrWMoV 532 CrMoV 12-28X 38 CrMoV 5-3

32 CrMoV 12-28X 38 CrMoV 5-3X 30 WCrV 9

1 750 à 1 900

X 38 CrMoV 5X 32 WCrV 5X 30 WCrV 980 MoCrV 42-16

X 32 WCrV 5X 30 WCrV 980 MoCrV 42-16

X 30 WCrV 980 MoCrV 42-16

(1) Pour chaque gamme d’utilisations, les principaux aciers sont énumérés par ordre de ductilité décroissante et de résistance à l’usure croissante.

Tous ces aciers ont été classés suivant le mode d’emploi encinq catégories :

— les aciers rapides de base ;— les aciers rapides surcarburés ;— les aciers rapides au cobalt ;— les aciers rapides au cobalt à haute teneur en carbone ;— les aciers rapides à haute teneur en cobalt.


ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________

La solution la plus pratique, pour le traitement des aciers rapides,est évidemment le bain de sels en raison de la faible décarburationet de la rapidité de chauffage.

Nous indiquons, sur la figure 46, les duretés maximales atteintesà 20 oC par les aciers rapides les plus caractéristiques, sur lafigure 47 les duretés à chaud correspondantes lorsque l’acier a ététraité pour le maximum de dureté à la température ambiante, et surla figure 48 l’évolution de la ténacité de ces aciers en fonction duniveau de dureté atteint après traitement thermique. Ces courbesmontrent les différences de comportement entre les aciers rapideset illustrent le classement en deux catégories qui apparaît sur letableau 11 :

— les aciers à rendement normal, se divisant eux-mêmes en2 groupes : les aciers pour emploi courant et les aciers à forterésistance à l’abrasion ;

— les aciers à rendement supérieur, se divisant également en2 groupes : les aciers ayant une grande dureté à chaud et les aciersdestinés aux travaux particulièrement difficiles. (0)

5.4.1 Aciers d’emploi courant (aciers de base)

Parmi ces aciers, nous trouvons les nuances classiques au tungs-tène, au molybdène, ou au tungstène-molybdène. Ces aciers ont unebonne tenue à la coupe, adaptable à beaucoup de conditions detravail et une assez bonne ductilité. Leur résistance à l’usure et leurdureté à chaud sont moindres que celles d’autres aciers, mais sontcependant suffisantes dans un grand nombre de cas. Les aciers dutungstène-molybdène du type HS 6-5-2 sont actuellement préférésaux aciers au tungstène du type HS 18-0-1, en raison de leurs meil-leures caractéristiques de ductilité.

Tableau 11 – Classement des aciers rapides suivantles conditions d’emploi

Catégorie IAciers à rendement normal

Catégorie IIAciers à rendement supérieur

Groupe A Groupe B Groupe C Groupe D

Acierspour emploi

courant

Aciers à forte résistance

à l’abrasion

Aciers ayant une grande

dureté à chaud

Aciers destinés aux travaux particu-lièrement difficiles

HS 18-1-1-5 HS 12-1-5-5HS 18-0-1 HS 18-0-2-10 HS 10-4-3-10HS 6-5-2 HS 6-5-3 HS 6-5-2-5 HS 7-4-2-5HS 6-5-2 HC HS 6-5-4 HS 6-5-2-5 HC HS 7-6-3-12HS 2-8-1 HS 2-9-1-8HS 2-9-2

Figure 46 – Duretés maximales atteintes,en fonction de la température de revenu, des principaux aciers rapides

Figure 47 – Duretés à chaud comparéesdes aciers rapides les plus caractéristiques

Figure 48 – Ténacités comparées, en fonction du niveau de dureté obtenu après traitement thermique, des aciers rapidesles plus caractéristiques


______________________________________________________________________________________________________________________ ACIERS À OUTILS

Tous ces aciers sont utilisés pour les outils de grande série,destinés à usiner des aciers d’un niveau de résistance inférieur ouégal à 900 MPa, de la fonte et des alliages non ferreux. Ils sont éga-lement utilisés comme outils de mise en forme, matrices dedécoupe, cylindres de laminoir dans les équipements tandem...

5.4.2 Aciers à forte résistance à l’abrasion(aciers surcarburés)

Les aciers de ce groupe se différencient de ceux du groupe pré-cédent par des teneurs en carbone et vanadium nettement plusélevées : C ≈ 1,3 %-V ≈ 4 %. Ces nuances, qui sont en quelque sortedes aciers surcarburés sans cobalt, ont une meilleure dureté à latempérature ambiante que les précédents, mais leur dureté à chaudest sensiblement la même. Ces aciers sont fragiles et leur aptitudeau meulage est rendue délicate par suite d’une grande quantité decarbures de vanadium dans la microstructure. Ils sont utilisés pourusiner des alliages durs et surtout très abrasifs, ou pour le découpageà froid. On les utilise également de plus en plus pour les cylindresforgés dans les équipements multicylindres pour le laminage desaciers demandant un très bon état de surface comme les aciersinoxydables.

5.4.3 Aciers ayant une grande dureté à chaud(aciers au cobalt)

Les aciers de ce groupe peuvent atteindre des duretés élevées àla température ambiante et surtout à chaud (article Données numé-riques sur les aciers à outils [M 332]), grâce à l’addition de 5 ou 10 %de cobalt. Ils sont utilisés pour des travaux de coupe à grande vitesseet à grande profondeur de passe, c’est-à-dire dans des conditionsde travail où il y a un fort échauffement de l’outil.

Ces aciers sont utilisés pour l’usinage des aciers ayant un niveaude résistance supérieur à 900 MPa, des fontes trempées, des aciersmoulés, et pour les travaux d’ébauchage en tous genres.

5.4.4 Aciers destinés aux travaux particulièrement difficiles (aciers surcarburés au cobalt)

Toutes les nuances de ce groupe sont des aciers surcarburés, àl’exception du type HS 2-9-1-8 qui a été mis au point dans lesannées 60. Ils présentent tous une dureté très élevée, même à chaud,et une très grande résistance à l’usure. Mais ces aciers sont trèsfragiles et leur aptitude au meulage est médiocre si bien qu’il fautdes meules spéciales pour les rectifier.

Les niveaux de dureté que l’on peut obtenir sur les aciers de cegroupe sont voisins de 68 HRC. Bien que nettement plus fragiles queles aciers sans cobalt, les aciers HS 2-9-1-8 et HS 7-4-2-5 constituentde loin les nuances les plus ductiles de ce dernier groupe. En raisonde sa faible teneur en vanadium (≈ 1,2 %), l’acier HS 2-9-1-8 s’usineassez facilement mais, comme tous les aciers au molybdène, il esttrès sensible à la décarburation et sa fourchette de températures detrempe est extrêmement étroite (1 180 à 1 200 oC).

Les aciers de ce dernier groupe sont destinés à usiner les aciersà haute résistance (Rm 1 300 MPa), les alliages réfractaires, à basede nickel ou de cobalt, les alliages de titane et les bois très durs.Par ailleurs, certaines compositions à haute teneur en cobalt sonttrès proches des nuances utilisées, soit à l’état moulé par centri-fugation, soit à l’état forgé après compaction isostatique à chaud enpartant de poudres préalliées pour la réalisation de cylindres de lami-nage à chaud de produits longs et de produits plats. La grande téna-cité des calamines liée à la présence du cobalt et la très granderésistance à l’usure liée à la microstructure des matériaux permettentd’obtenir des produits avec une très bonne fiabilité dimensionnelleet un excellent état de surface.

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33

3

10

- 1

994

POUR

EN

Aciers à outils

par Robert LÉVÊQUEIngénieur Civil des MinesDirecteur Technique Établissement d’Unieux. IRSID

SAVOIR

PLUS

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ACIERS À OUTILS ______________________________________________________________________________________________________________________POUR

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NormalisationAssociation Française de Normalisation (AFNOR)NF A 03-152 12-80 Produits sidérurgiques. Essais de dureté Brinell de

l’acier.

NF A 03-153 10-86 Produits métalliques. Essais de dureté Rockwell(échelles A-B-C-D-E-F-G-H-K).

NF A 04-102 11-80 Produits sidérurgiques. Détermination de la grosseurdu grain ferritique ou austénitique des aciers.

NF A 04-302 9-84 Produits sidérurgiques. Détermination par cassure dela tendance au grossissement du grain austénitiqueet de la pénétration de trempe dans les aciers à outils(essai Shepherd).

NF A 35-590 12-92 Produits sidérurgiques. Aciers à outils.

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NF A 45-103 12-87 Produits sidérurgiques. Barres et produits laminésen aciers à outils. Tolérances dimensionnelles.

NF A 45-104 12-87 Produits sidérurgiques. Barres et plats forgés enaciers à outils. Tolérances dimensionnelles.

E 05-015 9-84 État de surface des produits. Prescription. Généralités.Terminologie. Définitions.

NF EN 10027-1 11-92 Système de désignation des aciers. Part 1. Désigna-tion symbolique. Symboles principaux.

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A 681-92 Specification for alloy tool steel.

A 686-92 Specification for tool steel, carbon.

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