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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l'article [M1134] paru en 2002, du même titre et du même auteur.
RÉSUMÉ
Le traitement thermique des aciers à outils a subi une assez forte évolution dans la dernière décennie, et cela dans deux directions : sur le plan théorique, une amélioration de la connaissance des mécanismes de durcissement secondaire, et sur le plan technologique une amélioration du contrôle des atmosphères de traitement, ainsi qu'un fort développement du traitement en four sous vide avec trempe au gaz sous pression. L'utilisation des codes aux éléments finis a permis de mieux optimiser la géométrie des outils pour éviter tout risque de tapure au cours de la trempe. Ces améliorations ont conduit à une optimisation de la composition chimique et du traitement thermique des aciers à outils alliés, ainsi qu'à une amélioration de l'état de surface et une réduction des déformations des outillages traités.
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The thermal treatment of tool steels has known significant developments over the last decade: on the theoretical level, an improved knowledge of secondary hardening mechanisms and on the technological level, an improved control of heat treatment atmospheres and a strong development of heat treatment in vacuum furnaces with high-pressure gas quenching. The use of finite element codes has allowed for the optimization of the geometry of tools in order to avoid any risk of cracks during quenching. These improvements have led to an optimization of the chemical composition and thermal treatment of alloyed tool steels, as well as to an improved surface state and thus reduced deformation of the treated tools.
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
À la différence des aciers d’usage général, et même des aciers spéciaux de construction mécanique, où se développent de plus en plus des nuances dites économiques pour lesquelles les propriétés d’usage sont obtenues directement par refroidissement contrôlé après forgeage ou laminage, les hauts niveaux de caractéristiques mécaniques demandés aux aciers à outils nécessitent un traitement thermique de qualité, et cela d’autant plus que c’est la surface de ces matériaux qui est sollicitée en service. Par ailleurs, mis à part quelques cas particuliers, notamment dans le domaine des aciers d’outillage à chaud, où il est demandé un cahier des charges avec des caractéristiques mécaniques et des valeurs minimales de ténacité, le seul contrôle mécanique du traitement se réduit la plupart du temps à celui de la vérification de la dureté qui n’intéresse qu’une zone peu profonde du métal. Il est toutefois intéressant de signaler que, dans le domaine de la plasturgie notamment, se développent des nuances à bas carbone, de bonne aptitude au polissage et au soudage, obtenues directement après transformation à chaud à l’état prétraité sous une structure à dominante bainitique.
Pour l’utilisation des aciers à outils, la connaissance et l’exécution correcte des traitements thermiques sont indispensables ; des soins tout particuliers doivent être pris dans les différentes opérations si l’on tient compte des points suivants :
-
l’outil doit garder une forme et des dimensions extrêmement précises car, dans de nombreux cas, la rectification finale est une opération qui est à réduire le plus possible, voire à supprimer ;
-
l’outil travaille par sa périphérie et cette partie doit donc avoir les propriétés mécaniques optimales ;
-
la réponse au traitement thermique des aciers à outils dépend dans une très large mesure de leur composition chimique et, pour une même nuance, des conditions de recuit ;
-
les coûts matière et usinage avant traitement représentent une part très importante du coût global de l’outillage.
La maîtrise du traitement thermique des aciers à outils passe tout d’abord par une bonne connaissance des différentes opérations : recuit, trempe, revenu, aussi bien sur le plan métallurgique que technologique. Elle impose ensuite une maîtrise des principaux incidents : déformations, tapures, risques de ruptures…
Le lecteur se reportera utilement, pour les propriétés des aciers à outils obtenues après traitement thermique, aux articles :
Aciers à outils – Données numériques normalisées [M 4 590],
Aciers à outils – Données numériques non normalisées [M 4 591].
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1993 par Robert LÉVÊQUE
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2. Trempe
2.1 Conditions d'austénitisation
Lors de la montée en température, la structure ferrite – carbures de l’acier à outils se transforme en austénite, avec ou sans carbures selon la composition chimique de l’acier. La formation de l’austénite commence vers 720 °C dans le cas d’un acier à outils non allié, avec ou sans zone intermédiaire Ac1-Ac3 selon la teneur en carbone. Cette température est fortement augmentée par tous les éléments alphagènes (chrome, molybdène, tungstène, vanadium, silicium) qui tendent à réduire le domaine austénitique du diagramme fer-carbone et est abaissée par les éléments gammagènes tels que le nickel et le manganèse qui ont un effet inverse.
Nous avons représenté schématiquement sur la figure 5 les évolutions structurales au cours du chauffage des aciers à outils non lédeburitiques (figure 5 a) et des aciers à outils lédeburitiques (figure 5 b). La différence de comportement entre les deux catégories d’aciers réside dans la possibilité, pour le premier groupe, d’avoir une structure homogène austénitique sans carbures et, pour le deuxième, d’atteindre le liquidus sans pouvoir remettre en solution tous les carbures.
HAUT DE PAGE2.1.1 Aciers à outils peu alliés
La structure de ces aciers à l’état recuit est constituée par de la ferrite et des carbures du type M3C (cémentite plus ou moins substituée) ; la remise en solution de ce type de carbures est aisée dans le domaine austénitique, et la température de trempe est choisie en général 50 °C au-dessus du point correspondant à la fin de la transformation α → γ. Cette température est un bon compromis entre une mise en solution suffisante des carbures et une taille de grains correcte. Le temps de maintien à cette température doit assurer une homogénéité des conditions d’austénitisation dans la totalité du volume de l’outil. La règle habituelle de 30 min de maintien par 25 mm d’épaisseur pour des fours à atmosphère...
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Trempe
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KLARENFJORD (B.), SCHINDLER (A.), SCHRUFF (I.) - A new rating chart for the microstructure of hot-work tool steels - Progress in Tool Steels, Proceedings of the 4th International Conference on Tooling, Ruhr University Bochum, p. 147 (sept. 11th to 13th 1996).
-
(2) - BERTHON (J.), CHARRIER (J.), MARATRAY (F.) - Étude de l’optimisation de la teneur en carbone et des conditions de traitement thermique de l’acier 6-5-2 - Coll. Intern. sur les Aciers à Coupe Rapide, Saint-Étienne (1975).
-
(3) - KULMBURG (A.), BUCHMAYR (B.), KOZESCHNIK (E.) - Prediction of carbides and transformation kinetics of tool steels - Progress in Tool Steels, Proceedings of the 4th International Conference on Tooling, Ruhr University, Bochum, p. 309 (sept. 11th to 13th 1996).
-
(4) - GROSSMANN (M.A.), ASIMOW (M.) - La trempabilité des aciers et l’influence du milieu de trempe - Iron Age (USA), 145, n° 17, p. 25 ; n° 18, p. 39 (1940).
-
(5) - ASIMOW (M.), CRAIG (W.F.), GROSSMANN (M.A.) - Correlation between Jominy test and quenched round bars - SAE Journal...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Système de désignation des aciers – Partie 1 : désignation symbolique, symboles principaux. Indice de classement : A02-005-1. - NF EN 10027-1 - 11-1992
-
Systèmes de désignation des aciers – Partie 2 : systèmes numériques. Indice de classement : A02-005-2. - NF EN 10027-2 - 11-1992
-
Systèmes de désignation des aciers – Partie 1 : désignation symbolique. Indice de classement : A02-005-1PR. - PR NF EN 10027-1 - 09-2001
-
Aciers à outils. Indice de classement : A35-590. - NF EN ISO 4957 - 05-2000
ANNEXES
1.1 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Construire acier (ex Office Technique pour l’Utilisation de l’Acier), 20, rue Jean Jaurès, 92800 Puteaux
Centre technique des industries mécaniques (CETIM), BP 67, 60304 Senlis Cedex,
Association de Traitement Thermique et de Traitement de Surface (A3TS), 71, rue Lafayette, 75009 Paris
HAUT DE PAGE
Basic Knowledge of High Speed Steels ERAMET, CD-ROM, June 2007,
HAUT DE PAGE1.3 Producteurs (liste non exhaustive)
Akers France SA, Chemin du Leidt, 57100 Thionville
Ascometal, Groupe Lucchini, Immeuble Le Colisée, 8, avenue de l’Arche, 92419 Courbevoie
Bohler...
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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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