Acier à outils - Tool steel

L'acier à outils fait référence à une variété d' aciers au carbone et d' aciers alliés particulièrement bien adaptés pour être transformés en outils . Leur aptitude vient de leur dureté distinctive , de leur résistance à l' abrasion et à la déformation, et de leur capacité à maintenir un tranchant à des températures élevées. En conséquence, les aciers à outils sont adaptés pour une utilisation dans le façonnage d'autres matériaux. Avec une teneur en carbone comprise entre 0,5% et 1,5%, les aciers à outils sont fabriqués dans des conditions soigneusement contrôlées pour produire la qualité requise. La présence de carbures dans leur matrice joue un rôle prépondérant dans les qualités des aciers à outils. Les quatre principaux éléments d'alliage qui forment les carbures dans l'acier à outils sont : le tungstène , le chrome , le vanadium et le molybdène . Le taux de dissolution des différents carbures dans la forme austénite du fer détermine les performances à haute température de l'acier (plus lent est meilleur, ce qui en fait un acier résistant à la chaleur). Un traitement thermique approprié de ces aciers est important pour des performances adéquates. La teneur en manganèse est souvent maintenue faible pour minimiser la possibilité de fissuration lors de la trempe à l' eau .

Il existe six groupes d'aciers à outils : durcissant à l'eau, pour travail à froid, résistant aux chocs, à grande vitesse, pour travail à chaud et à usage spécial. Le choix du groupe à sélectionner dépend du coût, de la température de fonctionnement, de la dureté de surface requise, de la résistance, de la résistance aux chocs et des exigences de ténacité. Plus les conditions de service sont sévères (température, abrasivité, corrosivité, charge élevées), plus la teneur en alliage et la quantité conséquente de carbures requis pour l'acier à outils sont élevées.

Les aciers à outils sont utilisés pour la coupe, le pressage, l'extrusion et le frappe de métaux et d'autres matériaux. Leur utilisation en outillage est indispensable ; les moules à injection, par exemple, nécessitent des aciers à outils pour leur résistance à l'abrasion - un critère important pour la durabilité du moule qui permet des centaines de milliers d'opérations de moulage au cours de sa durée de vie.

Les nuances AISI - SAE d'acier à outils sont l'échelle la plus couramment utilisée pour identifier les différentes nuances d'acier à outils. Les alliages individuels au sein d'une nuance reçoivent un numéro; par exemple : A2, O1, etc.

Groupe de durcissement à l'eau

L'acier à outils du groupe W tire son nom de sa propriété déterminante de devoir être trempé à l'eau. L'acier de qualité W est essentiellement de l'acier au carbone ordinaire à haute teneur en carbone . Ce groupe d'acier à outils est l'acier à outils le plus couramment utilisé en raison de son faible coût par rapport aux autres. Ils fonctionnent bien pour les pièces et les applications où les températures élevées ne sont pas rencontrées ; au-dessus de 150 °C (302 °F), il commence à se ramollir à un degré notable. Sa trempabilité étant faible, les aciers à outils du groupe W doivent être soumis à une trempe rapide, nécessitant l'utilisation d'eau. Ces aciers peuvent atteindre une dureté élevée (supérieure à HRC 66) et sont plutôt fragiles par rapport aux autres aciers à outils. Les aciers W sont toujours vendus, notamment pour les ressorts, mais sont beaucoup moins utilisés qu'ils ne l'étaient au XIXe et au début du XXe siècle. Cela s'explique en partie par le fait que les aciers W se déforment et se fissurent beaucoup plus pendant la trempe que les aciers trempés à l'huile ou à l'air.

La ténacité des aciers à outils du groupe W est augmentée par l'alliage avec du manganèse, du silicium et du molybdène. Jusqu'à 0,20 % de vanadium est utilisé pour conserver des grains fins pendant le traitement thermique.

Les applications typiques pour diverses compositions de carbone sont pour les aciers W :

  • 0,60–0,75 % de carbone : pièces de machine, burins, vis sans tête ; les propriétés comprennent une dureté moyenne avec une bonne ténacité et une bonne résistance aux chocs.
  • 0,76-0,90 % de carbone : matrices de forge, marteaux et traîneaux.
  • 0,91 à 1,10 % de carbone : applications d'outillage à usage général qui nécessitent un bon équilibre entre résistance à l'usure et ténacité, telles que les râpes, les perceuses, les fraises et les lames de cisaillement.
  • 1,11–1,30 % de carbone : limes, petits forets, outils de tour, lames de rasoir et autres applications légères où une plus grande résistance à l'usure est requise sans une grande ténacité. L'acier d'environ 0,8% C devient aussi dur que l'acier avec plus de carbone, mais les particules de carbure de fer libre dans l'acier au carbone à 1% ou 1,25% lui permettent de mieux tenir. Cependant, le bord fin rouille probablement plus vite qu'il ne s'use, s'il est utilisé pour couper des matériaux acides ou salés.

Groupe de travail à froid

Les aciers à outils pour travail à froid comprennent la série O (trempe à l'huile), la série A (trempe à l'air) et la série D (chrome à haute teneur en carbone). Ce sont des aciers utilisés pour couper ou former des matériaux à basse température. Ce groupe possède une trempabilité et une résistance à l'usure élevées, ainsi qu'une ténacité moyenne et une résistance au ramollissement thermique. Ils sont utilisés dans la production de pièces plus grandes ou de pièces nécessitant une déformation minimale pendant le durcissement. L'utilisation de la trempe à l'huile et du durcissement à l'air permet de réduire la distorsion, évitant les contraintes plus élevées causées par la trempe à l'eau plus rapide. Plus d'éléments d'alliage sont utilisés dans ces aciers, par rapport à la classe de durcissement à l'eau. Ces alliages augmentent la trempabilité des aciers, et nécessitent donc un processus de trempe moins sévère et par conséquent sont moins susceptibles de se fissurer. Ils ont une dureté de surface élevée et sont souvent utilisés pour fabriquer des lames de couteaux. L'usinabilité des grades de durcissement à l'huile est élevée, mais pour les types à haute teneur en carbone-chrome, elle est faible.

Durcissement à l'huile : la série O

Cette série comprend un type O1, un type O2, un type O6 et un type O7. Tous les aciers de ce groupe sont généralement trempés à 800 °C, trempés à l'huile, puis revenus à < 200 °C.

Classe Composition Remarques
O1 0,90 % C , 1,0–1,4 % Mn , 0,50 % Cr , 0,50 % W , 0,30 % Si , 0,20 % V C'est un acier pour travail à froid utilisé pour les jauges, les outils de coupe, les outils de travail du bois et les couteaux. Il peut être durci à 66 HRC , généralement utilisé à Rc61-63. Le vanadium est facultatif. Également vendu sous les noms Arne, SKS3, 1.2510 et 100MnCrW4.
O2 0,90 % C , 1,5-2,0 % Mn , 0,30 % Cr , 0,30 % Si , 0,15 % V C'est un acier pour travail à froid utilisé pour les jauges, les outils de coupe, les outils de travail du bois et les couteaux. Il peut être durci à 66 HRC , généralement utilisé à Rc61-63. Également vendu sous les références 1.2842 et 90MnCrV8.
O6 1,45 % C , 1,0 % Mn , 1,0 % Si , 0,3 % Mo Il s'agit d'un acier à outils graphitique durci à l'huile pour travail à froid, doté d'une résistance exceptionnelle à l'usure par glissement et au grippage métal sur métal. APPLICATIONS : jauges de filetage, jauges principales, cames, bagues, manchons, plaques de granulation de viande, arbres, rouleaux de formage, lames de cisailles, poinçons, matrices, guides d'alimentation de barre

Durcissement à l'air : la série A

Le premier acier à outils durcissant à l'air était l'acier musket , connu à l'époque sous le nom d'acier durcissant à l' air .

Les aciers modernes durcissant à l'air se caractérisent par une faible déformation lors du traitement thermique en raison de leur teneur élevée en chrome. Leur usinabilité est bonne et ils présentent un équilibre entre résistance à l'usure et ténacité (c'est-à-dire entre les nuances D et antichoc).

Classe Composition Remarques
A2 1,0 % C , 1,0 % Mn , 5,0 % Cr , 0,3 % Ni , 1,0 % Mo , 0,15–0,50 % V Un acier à outils à usage général commun ; c'est la variété d'acier durcissant à l'air la plus couramment utilisée. Il est couramment utilisé pour découper et former des poinçons, des matrices de coupe, des matrices de roulage de filets et des matrices de moulage par injection.
A3 1,25% C, 0,5% Mn, 5,0% Cr, 0,3% Ni, 0,9-1,4% Mo, 0,8-1,4% V
A4 1,0 % C, 2,0 % Mn, 1,0 % Cr, 0,3 % Ni, 0,9 à 1,4 % Mo
A6 0,7 % C, 1,8 à 2,5 % Mn, 0,9 à 1,2 % Cr, 0,3 % Ni, 0,9 à 1,4 % Mo Ce type d'acier à outils durcit à l'air à une température relativement basse (approximativement la même température que les types durcissant à l'huile) et est dimensionnellement stable. Par conséquent, il est couramment utilisé pour les matrices, les outils de formage et les jauges qui ne nécessitent pas une résistance à l'usure extrême mais nécessitent une stabilité élevée.
A7 2,00 à 2,85 % C, 0,8 % Mn, 5,00 à 5,75 % Cr, 0,3 % Ni, 0,9 à 1,4 % Mo, 3,9 à 5,15 % V, 0,5 à 1,5 W
A8 0,5–0,6% C, 0,5% Mn, 4,75–5,50% Cr, 0,3% Ni, 1,15–1,65 % Mo, 1,0–1,5 W
A9 0,5 % C, 0,5 % Mn, 0,95 à 1,15 % Si , 4,75 à 5,00 % Cr, 1,25 à 1,75 % Ni, 1,3 à 1,8 % Mo, 0,8 à 1,4 % V
A10 1,25 à 1,50 % C, 1,6 à 2,1 % Mn, 1,0 à 1,5 % Si, 1,55 à 2,05 % Ni, 1,25 à 1,75 % Mo Cette nuance contient une distribution uniforme de particules de graphite pour augmenter l'usinabilité et fournir des propriétés autolubrifiantes. Il est couramment utilisé pour les jauges, les arbres, les cisailles et les poinçons.

Haut carbone-chrome : la série D

La série D de la classe des aciers à outils pour travail à froid, qui comprenait à l'origine les types D2, D3, D6 et D7, contient entre 10 % et 13 % de chrome (ce qui est inhabituellement élevé). Ces aciers conservent leur dureté jusqu'à une température de 425 °C (797 °F). Les applications courantes de ces aciers à outils comprennent les matrices de forgeage, les blocs de matrice de moulage sous pression et les matrices d'emboutissage. En raison de leur forte teneur en chrome, certains aciers à outils de type D sont souvent considérés comme inoxydables ou semi-inox, cependant leur résistance à la corrosion est très limitée en raison de la précipitation de la majorité de leurs constituants chrome et carbone sous forme de carbures.

Classe Composition Remarques
D2 1,5 % C , 11,0 à 13,0 % Cr ; en plus 0,45% Mn , 0,030% P , 0,030% S , 1,0% V , 0,9% Mo , 0,30% Si Le D2 est très résistant à l'usure mais pas aussi dur que les aciers faiblement alliés. Les propriétés mécaniques du D2 sont très sensibles au traitement thermique. Il est largement utilisé pour la production de lames de cisaillement, de lames de rabot et d'outils de coupe industriels ; parfois utilisé pour les lames de couteaux.

Groupe résistant aux chocs

La haute résistance aux chocs et la bonne trempabilité sont fournies par l'alliage chrome-tungstène, silicium-molybdène, silicium-manganèse. Les aciers à outils du groupe résistant aux chocs (S) sont conçus pour résister aux chocs à basse et haute température. Une faible teneur en carbone est requise pour la ténacité nécessaire (environ 0,5% de carbone). Les alliages de carbure fournissent la résistance à l'abrasion, la trempabilité et les caractéristiques de travail à chaud nécessaires. Cette famille d'aciers présente une ténacité très élevée et une résistance à l'abrasion relativement faible et peut atteindre une dureté relativement élevée ( HRC 58/60). Aux États-Unis, la ténacité dérive généralement de 1 à 2 % de silicium et de 0,5 à 1 % de molybdène. En Europe, les aciers à chocs contiennent souvent 0,5 à 0,6 % de carbone et environ 3 % de nickel. Une gamme de 1,75 % à 2,75 % de nickel est encore utilisée dans certains aciers faiblement alliés (HSLA) résistants aux chocs et à haute résistance, tels que L6, 4340 et l'acier à scie suédois, mais c'est relativement cher. Un exemple de son utilisation est dans la production de bits de marteau - piqueur .

Groupe à grande vitesse

Groupe de travail à chaud

Les aciers pour travail à chaud sont un groupe d'aciers utilisés pour couper ou façonner des matériaux à haute température. Les aciers à outils du groupe H ont été développés pour la résistance et la dureté lors d'une exposition prolongée à des températures élevées. Ces aciers à outils sont à faible teneur en carbone et modérément à fortement alliés et offrent une bonne dureté et ténacité à chaud et une bonne résistance à l'usure grâce à une quantité substantielle de carbure. H1 à H19 sont basés sur une teneur en chrome de 5 % ; H20 à H39 sont basés sur une teneur en tungstène de 9 à 18 % et une teneur en chrome de 3 à 4 % ; H40 à H59 sont à base de molybdène.

Les exemples incluent l' acier à outils DIN 1.2344 (H13).

Groupe spécialisé

  • L'acier à outils de type P est l'abréviation des aciers pour moules en plastique. Ils sont conçus pour répondre aux exigences des matrices de moulage sous pression de zincet de moulage par injection plastique.
  • L' acier à outils de type L est l'abréviation de l'acier à outils à usage spécial faiblement allié. L6 est extrêmement dur.
  • L'acier à outils de type F est durci à l'eau et sensiblement plus résistant à l'usure que l'acier à outils de type W.

Comparaison

Nuances d'acier à outils AISI-SAE
Définir la propriété Qualité AISI-SAE Caractéristiques importantes
Durcissement à l'eau W
Fonctionnement à froid O Durcissement à l'huile
UNE Durcissement à l'air; alliage moyen
Haute teneur en carbone ; haute teneur en chrome
Résistant aux chocs S
Grande vitesse T Base en tungstène
M Base de molybdène
Travail à chaud H H1–H19 : base chrome
H20–H39 : base tungstène
H40–H59 : base molybdène
Moule en plastique P
But spécial L Alliage bas
F Carbone tungstène

Voir également

Les références

Bibliographie

Liens externes