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RÉSUMÉ
Compte tenu de leur composition chimique, avec des teneurs en carbone et en éléments d’alliage importantes, les aciers à outils sont essentiellement élaborés par la filière électrique avec la voie lingot et l’utilisation de techniques de refusion d’électrodes consommables.La métallurgie des poudres s’est également fortement développée pour la réalisation d’outils à très grande résistance à l’usure, dans la coupe et le travail à froid. L’influence néfaste des éléments résiduels sur les propriétés d’usage des aciers à outils a entraîné l’utilisation de plus en plus forte de procédés spéciaux d’élaboration comme la refusion sous vide ou sous laitier.
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Given their chemical composition, with high carbon and alloy contents, tool steels are essentially developed as ingots using electrical energy and consumable electrode refusion techniques. Powder metallurgy has also made great strides in producing high wear-resistant tools for cutting and cold working. The detrimental influence of residual elements on wear properties of tool steels has led to greater use of increasingly specialized development processes, such as vacuum of slag refusion.
Auteur(s)
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Robert LÉVÊQUE : Ingénieur civil des Mines - Président d’Honneur du Cercle d’Études des Métaux - École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
INTRODUCTION
Compte tenu de leur composition chimique, avec des teneurs en carbone et en éléments d’alliage importantes, les aciers à outils sont essentiellement élaborés par la filière électrique avec la voie lingot et l’utilisation de techniques de refusion d’électrodes consommables. Une proportion non négligeable de nuances est élaborée par métallurgie des poudres.
La coulée continue ne se pratique en effet que pour certaines catégories d’aciers qui se rapprochent des aciers de construction mécanique (aciers au manganèse silicium, aciers à roulement 102Cr6). Des essais de coulée continue d’aciers rapides et d’aciers à outils alliés ont été réalisés respectivement dans les années 1960 et 1980, mais ils ont été abandonnés pour des problèmes de coût et de fiabilité industrielle malgré quelques succès techniques (par exemple des fraises en acier rapide où la partie centrale était éliminée par usinage).
L’influence néfaste des éléments résiduels sur les propriétés d’usage des aciers à outils a entraîné l’utilisation de plus en plus forte de procédés spéciaux d’élaboration comme la refusion sous vide ou sous laitier. C’est également dans cette classe de matériaux, notamment les aciers rapides et les aciers à outils alliés pour travail à froid, que la métallurgie des poudres préalliées a été introduite dès le début des années 1970, avec le développement conjoint de moyens de compaction isostatique à chaud et de filage hydrostatique.
Les techniques associées de forgeage multidirectionnel et de recuit à haute température ont permis de réduire dans les pièces forgées les taux de ségrégation des éléments d’alliage, avec une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques, aidées en cela par l’utilisation des codes de calcul numérique de déformation à chaud.
Pour plus de détails sur ce sujet, le lecteur consultera utilement les références bibliographiques présentées dans la partie documentation de cet article.
cet article complète une série consacrée aux aciers à outils :
Le but de cette série d’articles est de faire un classement aussi simple que possible des principaux groupes d’aciers à outils en évoquant aussi bien les propriétés de mise en œuvre (élaboration et transformation de l’acier, traitement de recuit, usinabilité, traitement thermique, aptitude à la rectification et à l’obtention de textures superficielles, traitement de surface) que les propriétés d’emploi (résistance mécanique, ténacité, dureté à chaud, résistance à l’usure, tenue à la corrosion) pour aider l’utilisateur à mieux penser son problème.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de juin 2003 par Robert LÉVÊQUE
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Structure à l’état brut de coulée1. Élaboration du métal liquide
En 2010, la majeure partie des aciers à outils est élaborée au four à arc. Le four à induction conserve l’avantage de la souplesse, permettant d’élaborer de petites quantités, tandis que le four à creuset est en voie de disparition.
1.1 Fusion au creuset
Cette technique, découverte au XVIIIe siècle, a survécu jusqu’à nos jours. Elle ne permet pas d’opération d’affinage, propre à éliminer les impuretés telles que le soufre ou le phosphore. La nature du creuset est réductrice, mais acide, constituée par un mélange de graphite et de terres siliceuses. Cela impose un choix rigoureux des matières premières, ce qui assure, si la fusion est bien conduite, une constance de qualité appréciée.
La charge est constituée par le fer de Suède, les éléments d’alliage et la fonte. La difficulté de l’élaboration réside dans l’ajustage de la teneur en carbone : l’aciériste doit régler le taux d’éléments désoxydants (Mn, Si) et le moment où ils sont introduits, pour avoir un niveau de propreté de l’acier suffisant, compatible avec l’obtention d’une teneur en carbone correcte.
HAUT DE PAGE1.2 Fusion au four à induction
Le four à induction s’apparente quelque peu au four à creuset mais la charge est chauffée par induction, ce qui présente des avantages quant à la rapidité de fusion et à la faible perte au niveau des éléments très oxydables. La composition de la charge doit être bien connue, les chutes et les matières neuves analysées et choisies, car on ne peut pas pratiquer, à proprement parler, d’élaboration. La fusion se fait de la manière la plus simple : la charge, additionnée de la quantité de graphite nécessaire, est réalisée à la composition définitive, à l’exception du vanadium qui est ajouté juste avant la coulée.
Le four à induction est intéressant pour sa souplesse à élaborer de petites quantités, et pour la reproductibilité et l’homogénéité de l’analyse. Par contre, il présente l’inconvénient de ne pas permettre d’affinage, et le métal est relativement chargé...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BERNART (E.), DLOUHY (V.) - Possibilities of Influencing the as cast structure of high speed steels - Hutnik (PM), 18, n° 4, p. 165 (Trad. HB, n° 7497, H. BRUTCHER) (1968).
-
(2) - BERNS (H.) - Concepts of Powder Metallurgy Tool Steels - Progress in Tool Steels. Proceedings of the 4th International Conference on Tooling, Bochum University, p. 27 (sept. 1996).
-
(3) - BOUCHER (A.) - Application industrielle du procédé de refusion sous laitier aux aciers et alliages - Rev. ATB Métallurgie (B), n° 1, p. 1 (janv. 1970).
-
(4) - BOURRAT (J.), SIAUT (M.) - Nouvelles métallurgies pour aciers d’outillage - 37es Journées du Cercle d’Études des Métaux, École des Mines d’Albi, mai 1998. Bulletin du CEM, n° 17, Tome XVI (mai 1998).
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(5) - BRANDIS (H.), WIEBKING (K.) - Effect of pouring temperature and freezing process on structure of high speed steels - DEW Techn. Ber. (D), 11, n° 3, p. 158 (1971).
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Aciers à outils. - NF EN ISO 4957 - 05-00
-
Systèmes de désignation des aciers – Partie 1 : désignation symbolique. - NF EN 10027-1 - 11-05
-
Systèmes de désignation des aciers – Partie 2 : systèmes numériques. - NF EN 10027-2 - 11-92
-
Produits sidérurgiques – Détermination par cassure de la tendance au grossissement du grain austénitique et de la pénétration de trempe dans les aciers à outils (essai Sheperd). - NF A 04-302 - 09-84
-
Mécanique de la rupture – Détermination de l'énergie de rupture sur crique nulle (ECO). - A 03-181 - 06-97
-
Outils coupants – Désignation des groupes d'aciers rapides. - NF E 66-500 - 12-95
-
Aciers d’usage recommandé pour la construction du matériel roulant ferroviaire. Acier pour travail à froid. - NF F 80-106 - 12-86
-
...
Construire acier (ex OTUA)
Association française de la mécanique (AFM)
Centre technique des industries mécaniques (CETIM)
Centre technique des industries de décolletage
Fédération des industries mécaniques (FIM)
HAUT DE PAGE2 Fournisseurs (liste non exhaustive)
-
Le lecteur pourra trouver des listes de fournisseurs auprès des Syndicats professionnels suivants (listes non exhaustives).
Chambre syndicale des producteurs d’aciers fins et spéciaux (SPAS)
-
Producteurs d’aciers à outils (tableau )
Fédération française de l’acier (FFA)
Union des négociants en aciers spéciaux (UNAS)
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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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