Guide de choix des traitements des aciers à outils

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.