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Traitements thermiques des aciers à outils. Guide de choix| Réf : M1137 v3
Auteur(s) : Robert LÉVÊQUE
Date de publication : 10 sept. 2008
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Cet article est la réédition actualisée de l'article [M1137], paru en 2008, du même titre et du même auteur.
L'augmentation de productivité dans tous les domaines de mise en forme des matériaux nécessite de la part des outillages des sollicitations de plus en plus sévères. Il peut en résulter de grandes dispersions dans les résultats suivant les critères de choix de l'acier à outils, de son traitement thermique et de son traitement de surface, ainsi que du dessin et de l'état de surface de la pièce à réaliser. Le présent article constitue un guide d'ordre pratique pour le choix de la gamme de traitement thermique et de traitement de surface de l'acier à outils. Il dresse également une liste des incidents potentiels avec leur analyse et les différents moyens de contrôle destructif et non destructif des aciers à outils après traitement thermique ou traitement de surface.
Due to an increased productivity in every area of material forming, tools are subjected to increasingly severe stresses. This may lead to great dispersions in results depending on the selection criteria of the tool steel, its thermal and surface treatment as well as the design and state of the surface of the part to be manufactured. This article is a practical selection guide for heat and surface treatments of tool steels. It also provides a list of potential issues with their analysis and the various destructive and non-destructive tests for tool steels after thermal or surface treatment.
Robert LÉVÊQUE : Ingénieur civil des Mines - Président d’honneur du Cercle d’études des métaux (CEM) - Expert associé à l’ARDI Rhône-Alpes, département maîtrise des matériaux
Les aciers à outils sont utilisés dans de nombreux domaines de mise en forme des matériaux par coulée, déformation à chaud et à froid, extrusion et filage, découpage et emboutissage. La nécessaire augmentation de productivité (par exemple dans la coulée sous pression des alliages d’aluminium) ainsi que la mise en œuvre de matériaux très réfractaires (alliages de titane, de nickel et de cobalt) ont pour conséquence une élévation des sollicitations mécaniques et thermiques, ainsi que des dégradations accrues par phénomènes d’usure où interviennent des mécanismes comme l’abrasion, l’érosion, l’adhésion, la déformation à chaud et le fluage, la fatigue de surface, la fatigue thermomécanique et la corrosion. Dans ces conditions, la tenue des outillages est conditionnée par un certain nombre de facteurs parmi lesquels on peut citer :
le dessin et la conception de la pièce ;
la nature et la qualité du matériau choisi ;
les qualités de l’usinage et de la finition (rectification par exemple) ;
le traitement thermique et le traitement de surface ;
les conditions d’utilisation en service.
Tous ces facteurs influent sur l’état des contraintes liées d’une part à la mise en œuvre de l’outil, d’autre part aux conditions d’utilisation. Leur maîtrise est absolument nécessaire pour permettre une approche globale de l’optimisation des outillages, sous réserve d’y inclure une bonne connaissance générale du comportement des matériaux sous sollicitations complexes, susceptible de conduire à des modèles prédictifs d’endommagement. Dans ce domaine, les efforts et pressions de contact sont de mieux en mieux connus grâce aux codes de calcul simulant les écoulements de matière dans les outillages. Des progrès ont été faits aussi dans la détermination des conditions aux limites par une meilleure connaissance des flux thermiques échangés entre l’outil et la matière mise en œuvre.
Néanmoins, le choix du matériau constituant l’outil reste encore un problème complexe où se conjuguent des facteurs d’ordre technique (au niveau de la mise en œuvre et de la tenue en service) et d’ordre économique (coût de la matière, coût de mise en œuvre et disponibilité sur le marché). C’est pourquoi l’expérience pratique d’atelier conserve toute sa place à côté des codes de calcul pour l’approche de l’optimisation des outillages.
La méthode de choix proposée s’efforce de conduire à une solution qui correspond au coût unitaire minimal, ce coût étant défini comme le coût total de l’outil (fabrication, entretien) divisé par le nombre effectif de pièces qu’il permet de produire (durée de vie).
Le choix de l’acier à outil et de son traitement thermique influe beaucoup plus fortement sur la durée de vie de l’outil que sur son coût total et doit être surtout conditionné par les qualités requises en service plutôt que par celles assurant un coût de fabrication réduit. Il est certain que des économies réalisées au niveau de l’acier et de son traitement thermique sont possibles, mais souvent lourdes de conséquences au niveau des propriétés d’emploi. Des progrès substantiels ont été réalisés ces dernières années pour optimiser les conditions de trempe des outils, notamment par trempe sous gaz, grâce à des logiciels appropriés.
Des facteurs déterminants d’amélioration des performances des outils ont été apportés par les différentes filières de traitements de surface, avec notamment les traitements thermochimiques comme la nitruration, les revêtements obtenus en phase liquide ou par voie sèche, les traitements duplex, les dépôts nanostructurés et les multicouches, sans oublier les renforcements locaux par rechargement au moyen d’alliages dont les propriétés fonctionnelles sont nettement supérieures à celles du métal de base.
Le tableau 1 de la fiche donne la chronologie et le but des opérations effectuées sur les outils depuis leur conception jusqu’à leur mise en service ; il situe le traitement thermique et le traitement de surface dans le cycle de fabrication. Ces deux opérations sont les plus critiques de la gamme, car elles ont pour but d’assurer aux aciers une microstructure, un état des contraintes internes et un interface revêtement/substrat, dont dépendent les propriétés d’emploi comme la dureté, la ténacité, la résistance à l’usure et à la fatigue sous toutes ses formes (mécanique, thermique, de surface). De petites variations des paramètres de traitement thermique et de traitement superficiel peuvent se traduire par des écarts importants au niveau du comportement en service.
Le présent guide rassemble les données d’ordre pratique pour aider l’utilisateur dans le choix de sa gamme de traitement thermique et de traitement de surface. Les tableaux 1 à donnent des indications sur les différentes filières de traitements superficiels, ainsi que sur les propriétés des principaux revêtements réalisés. Le problème des variations dimensionnelles est également abordé avec les indications nécessaires pour minimiser ces dernières ; en guise de conclusion, les tableaux 5, , et rassemblent les principaux incidents pouvant survenir au cours de la fabrication des outillages et fournissent à l’utilisateur des données sur les causes possibles et les remèdes correspondants.
heat treatment | surface treatment
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TRAITEMENTS DES MÉTAUX
(1) - HAIRY (P.), RICHARD (M.) - Traitement de surface des moules de fonderie sous pression. - 37es journées du Cercle d’études des métaux (CEM), Albi (mai 1998). Bulletin du CEM, tome XVI, n° 17 (mai 1998).
(2) - HEILMANN (P) - Le traitement thermique avec chauffage convectif et trempe gazeuse haute pression. - Revue Traitement Thermique, n° 282, p. 43 à 48 (mai 1995).
(3) - CHAFFOTTE (F.), DOMERGUE (D.), LEFEVRE (L.), GOLDSTEINAS (A.), DOUSSOT (X.) - Nouveaux procédés de trempe gaz haute pression. - Revue Traitement Thermique et Ingénierie des Surfaces, n° 357, p. 19 à 23 (août-septembre 2004).
(4) - FAURE (D.), PEREZ (G.) - Évolutions techniques du refroidissement des pièces massives. - Revue Traitement Thermique et Ingénierie des Surfaces, n° 365, p. 33 à 38 (août-septembre 2005).
(5) - CAULE (R.) - De l’art de tremper. - Revue Traitement Thermique et Ingénierie...
Barres en aciers laminées à chaud. Partie 1 : dimensions des barres rondes. - ISO 1035-1 - (1980)
Barres en acier laminées à chaud. Partie 2 : dimensions des barres carrées. - ISO 1035-2 - (1980)
Barres en acier laminées à chaud. Partie 3 : dimensions des barres plates. - ISO 1035-3 - (1980)
Barres en acier laminées à chaud. Partie 4 : tolérances. - ISO 1035-4 - (1982)
Essais de corrosion en atmosphères artificielles – Essais aux brouillards salins (indice de classement : A05-101). - NF EN ISO 9227 - (2007)
Standard Test Method for Adhesion Strength and Mechanical Failure Modes of Ceramic Coatings by Quantitative Single Point Scratch Testing. - C 1624-05 - (2005)
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1 - GAMME DE TRAITEMENTS THERMIQUES
2 - GAMME DE TRAITEMENTS ET REVÊTEMENTS DE SURFACE
3 - PROBLÈMES POSÉS PAR LES DÉFORMATIONS
4 - INCIDENTS AU TRAITEMENT THERMIQUE ET REMÈDES
5 - ANALYSE DES INCIDENTS AU TRAITEMENT DE SURFACE
Information
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