Acier à haute vitesse - High-speed steel

L'acier rapide ( HSS ou HS ) est un sous-ensemble d' aciers à outils , couramment utilisé comme matériau d'outil de coupe .

Il est souvent utilisé dans les lames de scies électriques et les forets . Il est supérieur aux anciens outils en acier à haute teneur en carbone largement utilisés dans les années 40 en ce sens qu'il peut résister à des températures plus élevées sans perdre son caractère (dureté). Cette propriété permet au HSS de couper plus rapidement que l'acier à haute teneur en carbone, d'où le nom d' acier rapide . A température ambiante, dans leur traitement thermique généralement recommandé, les nuances HSS présentent généralement une dureté élevée (supérieure à la dureté Rockwell 60) et une résistance à l'abrasion (généralement liée à la teneur en tungstène et vanadium souvent utilisée dans l'HSS) par rapport aux aciers communs au carbone et à outils .

Histoire

En 1868, le métallurgiste anglais Robert Forester Mushet développa l' acier Mushet , considéré comme le précurseur des aciers rapides modernes. Il se composait de 2 % de carbone (C), 2,5 % de manganèse (Mn) et 7 % de tungstène (W). Le principal avantage de cet acier était qu'il durcissait lorsqu'il était refroidi à l'air à une température à laquelle la plupart des aciers devaient être trempés pour le durcissement. Au cours des 30 années suivantes, le changement le plus important a été le remplacement du manganèse (Mn) par le chrome (Cr).

En 1899 et 1900, Frederick Winslow Taylor et Maunsel White, travaillant avec une équipe d'assistants de la Bethlehem Steel Company à Bethlehem, Pennsylvanie , États-Unis, ont effectué une série d'expériences avec le traitement thermique des aciers à outils de haute qualité existants, tels que l'acier Mushet, les chauffer à des températures beaucoup plus élevées que celles qui étaient généralement considérées comme souhaitables dans l'industrie. Leurs expériences étaient caractérisées par un empirisme scientifique dans la mesure où de nombreuses combinaisons différentes ont été faites et testées, sans tenir compte de la sagesse conventionnelle ou des recettes alchimiques, et des enregistrements détaillés de chaque lot. Le résultat a été un processus de traitement thermique qui a transformé les alliages existants en un nouveau type d'acier qui pouvait conserver sa dureté à des températures plus élevées, permettant des vitesses et des taux de coupe beaucoup plus élevés lors de l'usinage.

Le procédé Taylor-White a été breveté et a créé une révolution dans les industries de l'usinage. Des machines-outils plus lourdes et plus rigides étaient nécessaires pour tirer pleinement parti du nouvel acier, ce qui a incité à reconcevoir et à remplacer les machines de l'usine installées. Le brevet a été contesté et finalement annulé.

Le premier alliage officiellement classé comme acier rapide est connu sous la désignation AISI T1, qui a été introduit en 1910. Il a été breveté par Crucible Steel Co. au début du 20e siècle.

Bien que les aciers rapides riches en molybdène tels que l'AISI M1 aient été utilisés depuis les années 1930, ce sont les pénuries de matériaux et les coûts élevés causés par la Seconde Guerre mondiale qui ont stimulé le développement d'alliages moins coûteux substituant le molybdène au tungstène. Les progrès des aciers rapides à base de molybdène au cours de cette période les placent à égalité, et dans certains cas mieux, que les aciers rapides à base de tungstène. Cela a commencé avec l'utilisation d'acier M2 au lieu d'acier T1.

Les types

Les aciers rapides sont des alliages qui tirent leurs propriétés d'une variété de métaux d'alliage ajoutés à l'acier au carbone, notamment le tungstène et le molybdène, ou une combinaison des deux, souvent avec d'autres alliages également. Ils appartiennent au système d'alliages à plusieurs composants Fe–C–X où X représente le chrome , le tungstène , le molybdène , le vanadium ou le cobalt . Généralement, le composant X est présent à plus de 7 %, avec plus de 0,60 % de carbone .

Dans le système de numérotation unifié (UNS), les qualités de type tungstène (par exemple T1, T15) sont numérotées dans la série T120xx, tandis que le molybdène (par exemple M2, M48) et les types intermédiaires sont T113xx. Les normes ASTM reconnaissent 7 types de tungstène et 17 types de molybdène.

L'ajout d'environ 10 % de tungstène et de molybdène au total maximise efficacement la dureté et la ténacité des aciers rapides et maintient ces propriétés aux températures élevées générées lors de la coupe des métaux.

Un échantillon de compositions d'alliage de nuances d'acier rapide courantes (en % en poids) (les limites d'impuretés ne sont pas incluses)
Noter C Cr Mo W V Co Mn Si
T1 0,65-0,80 4.00 - 18 1 - 0,1–0,4 0,2–0,4
M1 0,80 4 8 1.5 1,0 - - -
M2 0,85 4 5 6.0 2.0 - - -
M7 1,00 4 8.75 1,75 2.0 - - -
M35 0,92 4.3 5 6.4 1,8 5 - 0,35
M42 1.10 3,75 9.5 1.5 1,15 8.0 - -
M50 0,85 4 4.25 .dix 1,0 - - -


Aciers rapides au molybdène (HSS)

La combinaison du molybdène, du tungstène et de l'acier au chrome crée plusieurs alliages communément appelés « HSS », mesurant la dureté Rockwell « C » de 63 à 65.

M1
M1 n'a pas certaines des propriétés de dureté rouge de M2, mais est moins sensible aux chocs et fléchira davantage.
M2
M2 est le HSS industriel « standard » et le plus largement utilisé. Il a des carbures petits et uniformément répartis offrant une résistance à l'usure élevée, bien que sa sensibilité à la décarburation soit un peu élevée. Après traitement thermique, sa dureté est la même que T1, mais sa résistance à la flexion peut atteindre 4700 MPa, et sa ténacité et sa thermo-plasticité sont supérieures à T1 de 50%. Il est généralement utilisé pour fabriquer une variété d'outils, tels que des forets, des tarauds et des alésoirs. 1.3343 est la désignation numérique équivalente pour le matériau M2 identifié dans l'ISO 4957.
M7
M7 est utilisé pour fabriquer des forets de construction plus lourds où la flexibilité et la durée de vie prolongée des forets sont tout aussi importantes.
M50
M50 n'a pas la dureté rouge des autres qualités de tungstène HSS, mais est très bon pour les forets où la rupture est un problème en raison de la flexion du foret. Généralement préféré pour les quincailleries et les entrepreneurs. Il est également utilisé dans les roulements à billes haute température . Ces aciers sont obtenus en alliant du tungstène, du chrome, du vanadium, du cobalt et du molybdène avec de l'acier.

Aciers rapides au cobalt (HSS)

L'ajout de cobalt augmente la résistance à la chaleur et peut donner une dureté Rockwell jusqu'à 70 min.

M35
M35 est similaire à M2, mais avec 5% de cobalt ajouté. M35 est également connu sous le nom d'acier au cobalt, HSSE ou HSS-E. Il coupera plus vite et durera plus longtemps que M2.
M42
Le M42 est un alliage d'acier rapide de la série molybdène avec 8 % de cobalt supplémentaire. Il est largement utilisé dans les industries de fabrication de métaux en raison de sa dureté rouge supérieure par rapport aux aciers rapides plus conventionnels, permettant des temps de cycle plus courts dans les environnements de production en raison de vitesses de coupe plus élevées ou de l'augmentation du temps entre les changements d'outils.

Modification de surface

Les lasers et les faisceaux d'électrons peuvent être utilisés comme sources de chaleur intense à la surface pour le traitement thermique , la refusion ( vitrage ) et la modification de la composition. Il est possible d'atteindre différentes formes et températures de bain de fusion, ainsi que des vitesses de refroidissement allant de 10 3 à 10 6 K s -1 . Avantageusement, il y a peu ou pas de formation de fissures ou de porosité.

Alors que les possibilités de traitement thermique en surface devraient être évidentes, les autres applications demandent quelques explications. A des vitesses de refroidissement supérieures à 10 6 Ks -1, les microconstituants eutectiques disparaissent et il y a une ségrégation extrême des éléments d'alliage de substitution. Cela a pour effet de fournir les avantages d'une pièce vitrée sans les dommages d'usure associés au rodage.

La composition d'alliage d'une pièce ou d'un outil peut également être modifiée pour former un acier rapide sur la surface d'un alliage pauvre ou pour former une couche enrichie en alliage ou en carbure sur la surface d'une pièce en acier rapide. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées, telles que les feuilles, le boronage des paquets, les poudres à pulvériser au plasma, les bandes à noyau de poudre, les doseurs de gaz inerte, etc. Bien que cette méthode ait été signalée comme étant à la fois bénéfique et stable, elle n'a pas encore été largement utilisée commercialement.

Formant

Les forets HSS formés par laminage sont notés HSS-R. Le meulage est utilisé pour créer des forets HSS-G, cobalt et carbure.

Applications

La principale utilisation des aciers à haute vitesse continue à être dans la fabrication de divers outils de coupe: perceuses, des robinets , des fraises , des bits de l' outil , taillage couteaux (réducteurs), lames de scie, raboteuse et lames jointer, les bits routeur, etc., bien que l'utilisation de poinçons et de matrices augmente.

Les aciers rapides ont également trouvé un marché dans les outils à main fins où leur ténacité relativement bonne à une dureté élevée, associée à une résistance élevée à l'abrasion, les a rendus adaptés aux applications à faible vitesse nécessitant un bord tranchant (tranchant) durable, comme les limes , les burins , le rabot à main lames et couteaux de cuisine damas et couteaux de poche .

Les outils en acier rapide sont les plus populaires pour le tournage sur bois, car la vitesse de déplacement de la pièce au-delà du bord est relativement élevée pour les outils à main, et le HSS tient son bord beaucoup plus longtemps que les outils en acier à haute teneur en carbone.

Voir également

Les références