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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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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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- Version archivée 1 de juin 2003 par Robert LÉVÊQUE
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Traitement de recuit
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5. Transformation des lingots
Les gammes de transformation peuvent varier selon les moyens disponibles, mais toutes les gammes doivent s’inspirer de précautions dictées par les particularités des aciers à outils : forgeabilité souvent réduite, sensibilité à la tapure, tendance à la coalescence des carbures et au grossissement du grain.
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Les cycles de chauffage des lingots doivent être déterminés avec soin et surtout être bien respectés. La conductivité thermique de tels aciers étant en général fortement abaissée par les éléments d’alliage (à l’exception du cobalt) et notamment par le chrome, le silicium, le vanadium et le nickel, les chauffages et refroidissements doivent être souvent lents (vitesse inférieure à 150 °C/h), surtout le chauffage, avec des paliers permettant une égalisation de la température dans toute la masse. Dans le cas des aciers lédeburitiques au chrome et des aciers à coupe rapide, le recuit du lingot est recommandé pour écarter tout risque de tapures lors de cette opération de chauffage.
Le chauffage n’a pas seulement pour but d’atteindre la température visée, mais de la maintenir pendant une durée suffisamment longue pour assurer une certaine homogénéisation de la structure, par dissolution des carbures dans la phase austénitique et diffusion des éléments d’alliages ségrégés.
La température maximale à laquelle le métal peut être porté doit être déterminée avec soin, surtout lors des passes de dégrossissage du lingot, compte tenu des hétérogénéités inévitables entre la peau et le centre. D’une manière générale, les aciers de travail à chaud peuvent être chauffés jusque vers 1 200 °C, les aciers de travail à froid et les aciers rapides jusque vers 1 080 à 1 150 °C, la température étant d’autant plus basse que les teneurs en carbone et éléments carburigènes sont plus importantes.
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La fourchette de température de forgeage des aciers rapides est relativement étroite (de l’ordre de 200 °C au plus) en raison de la grande résistance à la déformation à chaud de ces derniers. Pour ces aciers, les gammes de transformation optimales consistent à appliquer un nombre réduit de passes avec un taux de déformation important.
Pour les aciers à outils au chrome lédeburitiques...
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Transformation des lingots
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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).
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(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).
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(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
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Aciers à outils. - NF EN ISO 4957 - 05-00
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Systèmes de désignation des aciers – Partie 1 : désignation symbolique. - NF EN 10027-1 - 11-05
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Systèmes de désignation des aciers – Partie 2 : systèmes numériques. - NF EN 10027-2 - 11-92
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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
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Aciers d’usage recommandé pour la construction du matériel roulant ferroviaire. Acier pour travail à froid. - NF F 80-106 - 12-86
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...
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)
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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)
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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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