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1 - COMPOSITION CHIMIQUE

2 - STRUCTURES

3 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : M4585 v2

Conclusion
Aciers à outils - Composition chimique et structure

Auteur(s) : Robert LÉVÊQUE

Relu et validé le 25 nov. 2020

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NOTE DE L'ÉDITEUR

La norme NF EN ISO 643 (A04-102) du 15/01/2020 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 643 de janvier 2020 (2nd tirage du 01/09/2021) : Aciers - Détermination micrographique de la grosseur de grain apparente (1er tirage)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2109 (Septembre 2021).

23/12/2021

La norme NF EN ISO 643 d'avril 2013 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 643 (A04-102) : Aciers - Détermination micrographique de la grosseur de grain
apparente (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2001 (Février 2020).

16/03/2020

La norme ISO 4957 de décembre 1999 citée dans cet article a été remplacée par la norme ISO 4957 "Aciers à outils" Révision 2018

Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN1806 (juillet 2018).

08/01/2019

RÉSUMÉ

Les aciers à outils constituent une famille de matériaux dont la composition chimique est généralement constituée par une teneur en carbone assez élevée en association avec des éléments d’alliage «carburigènes», comme le molybdène, le tungstène, le vanadium et le chrome. Les normes et désignations de ces aciers sont présentées, ainsi que les structures obtenues à l'état brut de coulée, après transformation à chaud et recuit, ainsi qu'après traitement thermique de trempe. L'évolution des carbures présents dans ces trois états est également décrite.

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ABSTRACT

Tool steels- Chemical composition and structure

Tool steels constitute a family of materials whose chemical composition is generally constituted by a rather high content in carbon associated with "carburigen" alloy elements such as molybdenum, tungsten, vanadium and chrome. The standards and designations of these steels are presented, as well as structures obtained after hot forging and annealing, as well as after quenching heat treatment. The evolution of carbides present in these three states is also described.

Auteur(s)

  • Robert LÉVÊQUE : Ingénieur civil des Mines - Président d’Honneur du Cercle d’Études des Métaux - École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne

INTRODUCTION

Les aciers à outils sont utilisés, comme leur nom l’indique, dans tous les problèmes de mise en forme des matériaux au sens le plus large. Il peut s’agir d’opérations d’usinage (tournage, perçage, fraisage…), de mise en forme à froid et à chaud (travail des métaux en feuilles sous presse par découpage et emboutissage, forgeage et matriçage à chaud, laminage à froid ou à chaud), de moulage (coulée par gravité ou sous pression d’alliages d’aluminium, de cuivre, de zinc et de magnésium, réalisation d’emballages verriers, industrie du caoutchouc, plasturgie), de filage et d’extrusion (aciers et alliages légers, cuivreux, alliages de titane et de zirconium, plastiques, pâte de cellulose…). Les aciers à outils font partie intégrante du domaine des aciers spéciaux, mais ils diffèrent sensiblement des aciers de construction mécanique, tant par les conditions de leur utilisation que par les critères d’emploi qui servent à les définir. En effet, dans le cas d’un outil de qualité, on recherche les performances maximales, sans fixer de limite supérieure, alors que l’acier de construction mécanique doit présenter une aptitude suffisante à l’emploi avec des caractéristiques spécifiques bien déterminées comme la tenue à la fatigue, la résistance aux chocs et à la rupture brutale, l’usinabilité et l’aptitude à subir un cycle thermo-mécanique de forgeage ou un traitement thermique de qualité au cours de la mise en œuvre. Toutefois, face aux exigences croissantes de durée de vie des outils, la problématique métallurgique de ce groupe d’aciers se rapproche de celle des aciers pour haute tenue en endurance du secteur de l’aéronautique.

Par ailleurs, l’outil est sollicité dans la plupart des cas au niveau de sa surface devant supporter les contraintes les plus sévères alors que les sollicitations d’un acier de construction intéressent l’ensemble du matériau. Il en résulte que les aciers à outils ne peuvent pas être définis au moyen de lois de comportement simples et qu’il est nécessaire d’avoir une connaissance la plus précise possible des conditions de sollicitations pour apporter des critères de choix réalistes. Les solutions adoptées sont la conséquence d’une démarche essentiellement pragmatique et constituent des compromis entre des exigences souvent contradictoires.

Pour plus de détails sur ce sujet, le lecteur consultera utilement les références bibliographiques présentées dans la partie documentaire de cet article.

Nota

Cet article s’insère dans une série consacrée aux aciers à outils :

  • Élaboration et transformation [M 4 586] ;

  • Mise en œuvre [M 4 587] ;

  • Classification [M 4 588].

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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KEYWORDS

structure   |   tool steels   |   metallurgy   |   composition   |   classification   |   carbides

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m4585


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3. Conclusion

Les aciers à outils constituent une famille de matériaux dont la composition chimique est généralement constituée par une teneur en carbone assez élevée en association avec des éléments d’alliage « carburigènes », comme le molybdène, le tungstène, le vanadium et le chrome. La haute dureté obtenue après traitement thermique de trempe et revenu est la conséquence de l’obtention d’une structure généralement martensitique et la plupart du temps renforcée par précipitation de carbures secondaires. Le cobalt peut être ajouté pour améliorer la dureté à chaud et le nickel pour renforcer la résistance aux chocs, ainsi que la pénétration de trempe. Beaucoup de nuances ont dans leur microstructure une quantité plus ou moins importante de carbures primaires contenant vanadium, molybdène, tungstène et chrome, pour renforcer leur résistance à l’usure. Les perspectives d’évolution de cette classe de matériaux se situent dans deux directions :

  • les nuances à bas carbone renforcées par précipitation de phases intermétalliques associant les éléments Ni, Mo, Cu et Al dans le domaine de l’outillage à chaud et de la plasturgie, pour des pièces de grandes dimensions ;

  • les nuances à très haut carbone et vanadium, par utilisation de la métallurgie des poudres, dans le domaine de l’outillage à très grande résistance à l’usure, pour le travail à froid et l’usinage.

La classification des aciers à outils s’est faite en mai 2000 au niveau européen avec une réduction assez sensible du nombre de nuances retenues. Le critère de classification a été le mode d’emploi (travail à chaud, travail à froid, aciers rapides) avec, pour le travail à froid, une sélection par la composition chimique (aciers non alliés et alliés pour travail à froid).

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ANDREWS (K.W.), HUGHES (H.), DYSON (D.J.) -   Constitution diagrams for Cr, Mo, V Steels  -  J. Iron Steel Inst., p. 337 (1972).

  • (2) - BACKERUD (L.), PFEIFER (H.U.) -   Structure development in some tool steels during the solidification process  -  Scandinavian J. Metallurgy (S), p. 159 (1972).

  • (3) - BERNS (H.), TROJAHN (W.) -   Wear behaviour of Ledeburitic chromium steels with niobium and titanium  -  International Colloquium on wear resistant materials – Saint-Étienne (nov. 1983).

  • (4) - BLICKWEDE (D.J.), COHEN (M.), ROBERTS (G.A.) -   The effect of vanadium and carbon on the constitution of high speed steels  -  Trans. ASM (USA), 42, p. 1161 (1950).

  • (5) - BRANDIS (H.), GOMPEL (P.), HABERLING (E.) -   Influence of cobalt on the cutting performance of High Speed Steels  -  23es journées du Cercle d’Études des Métaux – Saint-Étienne (16/17 mai 1984).

  • ...

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

  • ...

1 Organismes

Construire acier (ex OTUA)

http://construireacier.fr

Association française de la mécanique (AFM)

http://www.afm.asso.fr

Centre technique des industries mécaniques (CETIM)

http://www.cetim.fr

Centre technique des industries de décolletage

http://www.ctdec.com

Fédération des industries mécaniques (FIM)

http://www.fim.net

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2 Fournisseurs (liste non exhaustive)

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