Partie 1 -Travail à froidmouriracier
L'acier à outils pour travail à froid comprend des moules pour la fabrication de poinçonnage et de découpe (moules de découpage et de poinçonnage, moules de détourage, poinçons, ciseaux), des moules de frappe à froid, des moules d'extrusion à froid, des moules de pliage et des moules de tréfilage, etc.
1. Conditions de travail et exigences de performance pour le travail à froidacier à matrice
Lors de l'opération de travail à froidacier à matriceDu fait de la haute résistance à la déformation du matériau usiné, la partie active du moule supporte des pressions, des forces de flexion, des chocs et des frottements importants. Par conséquent, la mise au rebut des moules pour travail à froid est généralement due à l'usure. Il arrive également qu'ils cèdent prématurément par rupture, écrasement ou déformation dépassant les tolérances.
Comparé à l'acier à outils de coupe, l'usinage à froidacier à matriceLe moule présente de nombreuses similitudes. Il doit posséder une dureté et une résistance à l'usure élevées, une grande résistance à la flexion et une ténacité suffisante pour assurer le bon déroulement du processus d'emboutissage. La différence réside dans la complexité de sa forme et de sa technologie de fabrication, ainsi que dans l'importante surface de frottement et le risque élevé d'usure, ce qui rend sa réparation et son rectification difficiles. Par conséquent, une résistance à l'usure supérieure est requise. En fonctionnement, le moule subit une pression d'emboutissage élevée et est sujet à la concentration des contraintes en raison de sa forme complexe ; une ténacité élevée est donc indispensable. De par sa grande taille et sa forme complexe, le moule doit présenter une trempabilité élevée, une faible déformation et une faible tendance à la fissuration. En résumé, les exigences en matière de trempabilité, de résistance à l'usure et de ténacité sont similaires pour le travail à froid.acier à matricesont supérieures à celles des aciers à outils de coupe. Cependant, les exigences en matière de dureté à froid sont relativement faibles, voire inexistantes (car l'acier est formé à froid). De ce fait, certaines nuances d'acier adaptées aux moules pour travail à froid ont été développées, notamment pour des aciers à haute résistance à l'usure et à micro-déformation.acier à matriceet travail à froid à haute ténacitéacier à matrice.
2. Sélection de la nuance d'acier
Généralement, en fonction des conditions d'utilisation des moules de travail à froid, le choix des nuances d'acier peut être divisé en quatre situations :
①CAncien moule de travail de petite taille, de forme simple et à charge légère.
Par exemple, les petits poinçons et ciseaux pour la découpe de tôles d'acier peuvent être fabriqués en aciers à outils au carbone tels que les aciers T7A, T8A, T10A et T12A. Les avantages de ce type d'acier sont : une bonne usinabilité, un prix abordable et une disponibilité aisée. Cependant, ses inconvénients sont : une faible trempabilité, une faible résistance à l'usure et une importante déformation à la trempe. Par conséquent, il convient uniquement à la fabrication d'outils de petites dimensions, de formes simples et soumis à des charges légères, ainsi qu'aux moules pour travail à froid nécessitant une faible couche de trempe et une ténacité élevée.
② Moules de travail à froid de grandes dimensions, de formes complexes et de charges légères.
Les aciers couramment utilisés comprennent des aciers à outils de coupe faiblement alliés tels que le 9SiCr, le CrWMn, le GCr15 et le 9Mn2V. Le diamètre de trempe à l'huile de ces aciers peut généralement dépasser 40 mm. L'acier 9Mn2V, en particulier, est un acier pour travail à froid.acier à matriceDéveloppée en Chine ces dernières années, cette matière première ne contient pas de chrome. Elle peut remplacer, totalement ou partiellement, l'acier contenant du chrome.
L'hétérogénéité des carbures et la tendance à la fissuration par trempe de l'acier 9Mn2V sont inférieures à celles de l'acier CrWMn, et sa tendance à la décarburation est moindre que celle de l'acier 9SiCr, tandis que sa trempabilité est supérieure à celle des aciers à outils au carbone. Son prix n'est supérieur que d'environ 30 % à celui de ces derniers, ce qui en fait un acier à promouvoir et à utiliser. Cependant, l'acier 9Mn2V présente également certains inconvénients, tels qu'une faible résilience et des phénomènes de fissuration observés lors de sa production et de son utilisation. De plus, sa stabilité au revenu est médiocre et la température de revenu ne dépasse généralement pas 180 °C. À 200 °C, la résistance à la flexion et la ténacité commencent à diminuer.
L'acier 9Mn2V peut être trempé dans des milieux de trempe à pouvoir refroidissant relativement modéré, tels que les nitrates et l'huile chaude. Pour certains moules présentant des exigences strictes en matière de déformation et de dureté, on peut recourir à la trempe isotherme austénitique.
③ Moules de travail à froid de grandes dimensions, de formes complexes et supportant des charges importantes.
Il convient d'utiliser un acier moyennement ou fortement allié, tel que le Cr12Mo, le Cr12MoV, le Cr6WV, le Cr4W2MoV, etc. L'acier rapide peut également être utilisé.
Ces dernières années, l'utilisation de l'acier rapide pour la fabrication de moules de travail à froid s'est généralisée. Il convient de préciser que ce n'est plus la dureté exceptionnelle de cet acier qui est mise à profit, mais plutôt sa grande trempabilité et sa résistance élevée à l'usure. Par conséquent, le traitement thermique doit également être adapté.
Lorsqu'on utilise de l'acier rapide pour la fabrication de moules à froid, une trempe à basse température est recommandée afin d'améliorer la ténacité. Par exemple, la température de trempe couramment utilisée pour les outils de coupe en acier W18Cr4V est de 1280 à 1290 °C. Pour la fabrication de moules destinés au travail à froid, une trempe à basse température de 1190 °C est préconisée. L'acier W6Mo5Cr4V2 en est un autre exemple. Le recours à une trempe à basse température permet d'améliorer considérablement la durée de vie, notamment en réduisant significativement le taux de rebut.
④ Moules de travail à froid soumis à des charges d'impact et présentant des jeux de lames minces.
Comme indiqué précédemment, les exigences de performance des trois premiers types d'aciers pour outils de travail à froid concernent principalement une résistance élevée à l'usure ; on utilise donc des aciers hypereutectoïdes à haute teneur en carbone, voire des aciers à lédéburite. Cependant, pour certains outils de travail à froid, tels que les outils de découpe et de poinçonnage latéraux, qui présentent des joints bout à bout fins et sont soumis à des chocs lors de leur utilisation, une résilience élevée est requise. Afin de résoudre cette contradiction, les mesures suivantes peuvent être prises :
I-réduire la teneur en carbone et utiliser un acier hypoeutectoïde pour éviter une diminution de la ténacité de l'acier causée par les carbures primaires et secondaires ;
II-L'ajout d'éléments d'alliage tels que le Si et le Cr pour améliorer la stabilité et la température de revenu de l'acier (revenu à 240-270 ℃) est bénéfique pour éliminer complètement les contraintes de trempe et améliorer les performances sans réduire la dureté ;
III-L'ajout d'éléments tels que le tungstène (W) permet de former des carbures réfractaires afin d'affiner le grain et d'améliorer la ténacité. Parmi les aciers couramment utilisés pour les moules de travail à froid à haute ténacité, on trouve notamment le 6SiCr, le 4CrW2Si et le 5CrW2Si.
3. Moyens d'exploiter pleinement le potentiel de performance de l'acier à outils pour travail à froid
Lors de l'utilisation d'acier de type Cr12 ou d'acier rapide pour la fabrication de moules de travail à froid, la fragilité élevée de l'acier, sujet à la fissuration en cours d'utilisation, constitue un problème majeur. Il est donc nécessaire d'affiner la structure carbure par des procédés de forgeage appropriés. Par ailleurs, le développement de nouvelles nuances d'acier doit viser à réduire la teneur en carbone et le nombre d'éléments favorisant la formation de carbures.
L'acier Cr4W2MoV présente des avantages tels qu'une dureté élevée, une excellente résistance à l'usure et une bonne trempabilité. Il offre également une bonne stabilité au revenu et des propriétés mécaniques complètes. Utilisé notamment pour la fabrication de matrices en tôle d'acier au silicium, il permet d'accroître la durée de vie de 1 à 3 fois par rapport à l'acier Cr12MoV. Cependant, sa plage de températures de forgeage est étroite et il est sujet à la fissuration lors du forgeage. Il est donc impératif de contrôler rigoureusement la température de forgeage et les spécifications de fonctionnement.
L'acier Cr2Mn2SiWMoV présente une basse température de trempe, une faible déformation à la trempe et une trempabilité élevée. Il est connu pour sa trempe à l'air à microdéformation.acier à matrice.
L'acier 7W7Cr4MoV peut remplacer les aciers W18Cr4V et Cr12MoV. Il se caractérise par une hétérogénéité des carbures et une ténacité nettement supérieures.
Partie2 -Travail à chaudacier à matrice
1. Conditions de fonctionnement des moules à chaud
Les moules pour travail à chaud comprennent les moules de forgeage au marteau, les moules d'extrusion à chaud et les moules de fonderie sous pression. Comme mentionné précédemment, la principale caractéristique des conditions de travail des moules à chaud est le contact avec le métal en fusion, ce qui constitue la principale différence avec les conditions de travail des moules à froid. Par conséquent, cela engendre les deux problèmes suivants :
(1) La surface métallique de la cavité du moule est chauffée. Généralement, lors du martelage des matrices, la température de surface de la cavité peut atteindre plus de 300 à 400 °C, et celle des matrices d'extrusion à chaud peut dépasser 500 à 800 °C. La température de la cavité du moule de fonderie sous pression dépend du type de matériau et de la température de coulée. Lors de la fonderie sous pression de métaux noirs, la température de la cavité peut dépasser 1000 °C. De telles températures d'utilisation élevées réduisent considérablement la dureté et la résistance de la surface de la cavité, la rendant susceptible de se déformer pendant son utilisation. Les exigences de performance de base pour les moules à chaud sont donc les suivantes :acier à matriceLa haute résistance thermoplastique, notamment la dureté et la résistance à haute température, témoigne de l'excellente stabilité au revenu de l'acier. On en déduit une première méthode d'alliage pour les aciers à outils à chaud : l'ajout d'éléments d'alliage tels que le chrome, le tungstène et le silicium permet d'améliorer leur stabilité au revenu.
(2) La fatigue thermique (fissuration) se produit à la surface du métal de la cavité du moule. Le fonctionnement des moules à chaud est intermittent. Après chaque formation de métal chaud, la surface de la cavité doit être refroidie par un fluide tel que l'eau, l'huile ou l'air. Par conséquent, le moule est soumis à des cycles répétés de chauffage et de refroidissement, ce qui provoque une dilatation thermique répétée de la surface du métal, c'est-à-dire des contraintes de traction et de compression répétées. Il en résulte une fissuration de la surface, phénomène appelé fatigue thermique. C'est pourquoi la fatigue thermique constitue la deuxième exigence de performance fondamentale pour les moules à chaud.acier à matriceest mise en avant, c'est-à-dire qu'elle présente une résistance élevée à la fatigue thermique.
De manière générale, les principaux facteurs affectant la résistance à la fatigue thermique de l'acier sont :
① La conductivité thermique de l'acier. Une conductivité thermique élevée de l'acier permet de réduire l'échauffement de la surface métallique du moule, limitant ainsi sa sensibilité à la fatigue thermique. On considère généralement que la conductivité thermique de l'acier est liée à sa teneur en carbone. Plus la teneur en carbone est élevée, plus la conductivité thermique est faible ; par conséquent, l'acier à haute teneur en carbone n'est pas adapté aux travaux à chaud.acier à matrice. Une faible teneur en carbone de l'acier à teneur moyenne en carbone (C0,3% 5-0,6%) est couramment utilisée dans la production, ce qui peut entraîner une diminution de la dureté et de la résistance de l'acier et est également préjudiciable.
② Effet du point critique de l'acier. Généralement, plus le point critique (Acl) d'un acier est élevé, plus sa résistance à la fatigue thermique est faible. C'est pourquoi on augmente généralement le point critique de l'acier en ajoutant des éléments d'alliage tels que le chrome (Cr), le tungstène (W), le silicium (Si) et le plomb, ce qui améliore sa résistance à la fatigue thermique.
2. Acier pour moules de travail à chaud couramment utilisés
(1) Acier pour matrices de forgeage au marteau. De manière générale, l'utilisation de l'acier pour les moules de forgeage au marteau présente deux inconvénients majeurs. Premièrement, il est soumis à des chocs lors de son fonctionnement. Par conséquent, ses propriétés mécaniques doivent être élevées, notamment sa résistance à la déformation plastique et sa ténacité. Deuxièmement, la section transversale de la matrice de forgeage au marteau étant relativement importante (< 400 mm), l'acier doit présenter une trempabilité élevée afin de garantir une microstructure uniforme et des performances optimales de l'ensemble de la matrice.
Les aciers couramment utilisés pour les matrices de forgeage au marteau comprennent le 5CrNiMo, le 5CrMnMo, le 5CrNiW, le 5CrNiTi et le 5CrMnMoSiV. Différents types de matrices pour poinçons de marteau nécessitent différents matériaux. Pour les matrices de forgeage au marteau de très grande ou grande taille, le 5CrNiMo est privilégié. Le 5CrNiTi, le 5CrNiW ou le 5CrMnMoSi peuvent également être utilisés. L'acier 5CrMnMo est généralement utilisé pour les matrices de forgeage au marteau de petite et moyenne taille.
(2) L'acier est utilisé pour les moules d'extrusion à chaud, et la caractéristique principale de ces moules est leur faible vitesse de chargement. Par conséquent, la température de chauffe de la cavité du moule est relativement élevée, généralement de l'ordre de 500 à 800 °C. Les exigences de performance pour ce type d'acier doivent principalement porter sur une résistance élevée à haute température (c'est-à-dire une excellente stabilité au revenu) et une résistance élevée à la fatigue thermique. Les exigences relatives à la dureté Ka et à la trempabilité peuvent être revues à la baisse. Généralement, les moules d'extrusion à chaud sont de petite taille, souvent inférieure à 70-90 mm.
Les moules d'extrusion à chaud couramment utilisés comprennent les aciers 4CrW2Si, 3Cr2W8V et les aciers à 5 % de chrome.acier à matriceParmi eux, le 4CrW2Si peut être utilisé pour le travail à froid.acier à matriceet travaux à chaudacier à matriceEn fonction de leur utilisation, différentes méthodes de traitement thermique peuvent être employées. Pour la fabrication de moules à froid, on utilise des températures de trempe plus basses (870-900 °C) et un revenu à basse ou moyenne température ; pour la fabrication de moules à chaud, on utilise une température de trempe plus élevée (généralement 950-1000 °C) et un revenu à haute température.
(3) Acier pour moules de fonderie sous pression. De manière générale, les exigences de performance des aciers pour moules de fonderie sous pression sont similaires à celles des aciers pour moules d'extrusion à chaud, la stabilité au revenu et la résistance à la fatigue thermique étant les principales exigences. Le type d'acier couramment utilisé est donc généralement le même que celui utilisé pour les moules d'extrusion à chaud. On utilise généralement des aciers tels que le 4CrW2Si et le 3Cr2W8V. Cependant, il existe des différences : par exemple, on utilise le 40Cr, le 30CrMnSi et le 40CrMo pour les moules de fonderie sous pression d'alliages de zinc à bas point de fusion ; pour les moules de fonderie sous pression d'alliages d'aluminium et de magnésium, on peut choisir le 4CrW2Si, le 4Cr5MoSiV, etc. ; pour les moules de fonderie sous pression d'alliages de cuivre, l'acier 3Cr2W8V est le plus souvent utilisé.
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Date de publication : 21 juin 2023