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RÉSUMÉ
Le choix des aciers et de traitements thermiques adaptés pour la réalisation des moules pour l'injection des thermoplastiques est prépondérant pour la longévité des moules, elle-même fondamentale pour la performance économique et environnementale du process de production. Après avoir définis les performances attendues pour un acier de moule d’injection, nous passerons en revue les procédés métallurgiques, les traitements thermiques et les traitements de surface permettant d’obtenir ces performances. La dynamique économique et la pression normative ne pourront qu’amplifier ces exigences dans un contexte de compétition et d’émulation technologique globale.
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Thomas MUNCH : Ingénieur ENSAIS-EAHP - Agrégé en Mécanique - Ancien Responsable Injection de Hager, Obernai, France
INTRODUCTION
Les principaux facteurs intervenant dans la longévité des outillages d'injection plastique sont la conception, la réalisation mécanique et le choix des matériaux. Le coût d'outillage est souvent très élevé et constitué principalement par la fabrication des empreintes. Le coût des aciers est proportionnellement faible. C'est pourquoi le choix des aciers se fait principalement sur des critères techniques, le prix d'achat étant secondaire. Un choix judicieux permet d'agir efficacement pour augmenter considérablement la durée de vie des outillages.
Les besoins en termes de propriétés de matériaux sont spécifiques à la carcasse, aux empreintes et aux pièces mobiles du moule. Ils concernent la tenue aux chocs, la limite d'élasticité, la conductibilité thermique, la résistance chimique, la résistance à l'usure, ainsi que les aptitudes à l'usinage, aux traitements thermiques et au polissage.
Les propriétés des aciers dépendent avant tout de leur composition et du traitement thermique : la connaissance de l'influence de ces paramètres sur les besoins spécifiques liés à l'injection des matières plastiques permet d'optimiser la longévité des outillages. Cependant, la pratique des traitements thermiques présente des risques liés à la spécificité des aciers généralement choisis. La prise en compte de ces phénomènes permet de réduire considérablement le danger de détruire les empreintes lors des traitements.
Le procédé d'obtention de l'acier permet également d'optimiser de façon très conséquente certaines propriétés indispensables pour des applications spécifiques à la plasturgie.
Dans certaines situations, ces propriétés ne peuvent être obtenues avec des aciers. Le recours à d'autres matériaux permet de satisfaire des besoins parfois antagonistes.
Les contraintes mécaniques et chimiques auxquelles sont soumises les matériaux constitutifs du moule sont examinées. Les principaux effets du traitement thermique sur leurs propriétés physico-chimiques et les mécanismes structuraux qui leurs sont associés sont décrits en détail. Enfin, la sélection des matériaux et des traitements thermiques est spécifiée et étayée.
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MOTS-CLÉS
métallurgie des poudres traitement thermique traitement de surface procédés métallurgiques
VERSIONS
- Version archivée 1 de avr. 2013 par Thomas MUNCH
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Limitation des risques lors du traitement thermique
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4. Exemples d’aciers couramment utilisés
Il s'agit d'aciers choisis dans la classe des aciers à outil.
4.1 Acier pour empreintes issu de la métallurgie classique : exemple du X38CrMoV5
Un exemple de traitement courant pour cet acier est schématisé sur la figure 8. L'acier subit un recuit pour homogénéiser sa structure constituée alors de ferrite et de carbures. Ce recuit adoucit le matériau et facilite sa mise en œuvre. Après usinage d'ébauche et de demi-finition, le traitement thermique de trempe et revenu est effectué.
La trempe commence par une chauffe avec des paliers d'homogénéisation qui permettent d'atteindre le palier d'austénitisation, choisi en général à 1 000 °C pour une durée d'une heure. La trempe est effectuée à l'huile ou à l'azote sous pression, dans le cas d'un traitement en four « sous vide ». Après trempe, l'acier est constitué de martensite, de carbures et d'austénite résiduelle, due à la forte teneur en éléments d'alliage.
Pour supprimer cette austénite résiduelle, on peut effectuer un traitement cryogénique ou bien avoir recours à plusieurs revenus. Le premier relaxe les contraintes résiduelles brutes de trempe, permet de transformer l'austénite résiduelle en martensite de revenu et d'obtenir la précipitation de carbures. La martensite secondaire (de revenu) est ensuite adoucie pendant le second revenu. Un troisième revenu est parfois nécessaire pour transformer presque toute l'austénite résiduelle en martensite revenue.
La température de revenu détermine la dureté et, par conséquent, les propriétés mécaniques d'une part, et la température maximale d'utilisation d'autre part. En effet, on considère que la température maximale d'utilisation doit être inférieure d'au moins 50 °C à la température de revenu, pour éviter toute transformation métallurgique en cours de fonctionnement.
La dureté maximale de 54 HRC est obtenue pour une température de revenu de 500 °C. Cela permet d'utiliser l'acier jusqu'à 400 °C en continu et 450 °C ponctuellement, ce qui est suffisant pour les applications en plasturgie.
Lors de l'utilisation, l'élévation de température provoque une chute de dureté, de résistance mécanique élastique
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BARRALIS (J.), MAEDER (G.) - Métallurgie. - AFNOR-Nathan (2005).
-
(2) - BERANGER et al - Les aciers spéciaux. - Tech et Doc Lavoisier (1989).
-
(3) - GASTROW (H.) - Injection mold : injection mold : 130 Proven designs. - 3rd edition, Carl Hanser Verlag, Munich (2007).
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(4) - MUNCH (T.) - Du process à la pièce : l’injection des plastiques. - KDP éditions (2015).
-
(5) - PICHON (J.-F.) - Aide-mémoire d'injection des matières plastiques. - Dunod (2005).
-
(6) - REES (H.) - Mold engineering. - 2nd edition, Carl Hanser Verlag, Munich (2002).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Forum International de la Plasturgie, a lieu tous les trois ans à Lyon :
K-Messe, salon européen de la Plasturgie de rang mondial, a lieu tous les trois ans à Düsseldorf :
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Aubert et Duval
https://www.aubertduval.com/fr/
Bodycote
Böhler
DME-EOC
Hasco
Rabourdin
Uddeholm
https://www.uddeholm.com/france/fr/
...
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