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CLI 93/04
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ACIER FAIBLEMENT ALLIE POUR LA FABRICATION DE MOULES
POUR MATIERES PLASTIQUES OU POUR CAOUTCHOUC
La présente invention concerne un acier faiblement allié utilisé
notamment pour la fabrication de moules pour matières plastiques ou pour
caoutchouc.
Les moules pour matières plastiques ou pour caoutchouc sont
fabriqués par usinage de blocs de métal massifs dont l'épaisseur peut
dépasser 500mm. La surface de l'empreinte obtenue par usinage est le
plus souvent soit polie soit grainée chimiquement afin de conférer aux
objets obtenus par moulage l'aspect de surface souhaité. Afin de réduire
au maximum l'usure des moules, tout point de leur surface doit avoir une
dureté élevée comprise entre 250HB et 400HB et le plus souvent entre
270HB et 350HB. Ils doivent également avoir une limite d'élasticité la plus
élevée possible et une bonne résilience pour résister aux chocs et aux
déformations.
L'opération d'usinage étant très importante, puisqu'elle
représente couramment 70% du coût total de fabrication du moule, le
métal doit être le plus usinable possible et, très souvent, l'aptitude à
l'usinage ne peut pas être obtenu par des additions classiques trop
importantes tels que le Soufre ou le Plomb, car ces additions détériorent
l'aptitude au polissage ou au grainage.
Les moules étant assez souvent réparés par soudure, le métal
utilisé doit également être le plus soudable possible.
Enfin, le moulage des matières plastiques ou du caoutchouc
se faisant à chaud, le métal utilisé doit avoir une conductibilité thermique
la
plus élevée possible afin de faciliter les transferts thermiques qui limitent
la
productivité de la fabrication d'objets moulés.
Pour fabriquer les moules on utilise en général des blocs
d'acier faiblement allié suffisamment trempant pour obtenir, après trempe
et revenu une structure martensitique ou martensito-bainitique ayant une
dureté suffisante, une limite d'élasticité élevée, une bonne ténacité.
L'acier le plus utilisé est l'acier P20 selon la norme AISI ou les
aciers W1.2311 ou W1.2738 selon la norme allemande WERKSTOFF.
L'acier P20 contient, en poids, de 0,28% à 0,4% de Carbone,
de 0,2% à 0,8% de Silicium, de 0,6% à 1 % de Manganèse, de 1,4% à
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2% de Chrome, de 0,3% à 0,55% de Molybdène, le reste étant du fer et
des impuretés liées à l'élaboration.
Les aciers W1.2311 et W1.2738 contiennent, en poids, de
0,35% à 0,45% de Carbone, de 0,2% à 0,4% de Silicium, de 1,3% à
1,6% de Manganèse, de 1,8% à 2,10% de Chrome et de 0,15% à 0,25%
de Molybdène ; l'acier W1.2738 contient en outre de 0,9% à 1,2% de
Nickel, le reste étant du fer et des impuretés liées à l'élaboration.
Ces aciers ont une bonne tenue à l'usure, mais il ont une
soudabilité, une aptitude à l'usinage, une ténacité et une conductibilité
thermique insuffisantes.
Afin d'améliorer l'aptitude au soudage, il a été proposé, dans
la demande EP 0 431 557, un acier contenant, en poids, de 0,1 % à 0,3%
de Carbone, moins de 0,25% de Silicium, de 0,5% à 3,5% de Manganèse,
moins de 2% de Nickel, de 1 % à 3% de Chrome, de 0,03% à 2% de
Molybdène, de 0,01 % à 1 % de Vanadium, moins de 0,002% de Bore,
élément considéré comme étant une impureté nuisible, le reste étant
substantiellement du fer ; la composition devant en outre satisfaire à la
relation
BH = 326+847,3(%C)+18,3(%Si)-8,6(%Mn)-12,5(%Cr)<460
Compte tenu de cette relation, la teneur en Carbone doit
rester inférieure à 0,238%.
Cet acier qui a certes, une bonne soudabilité et une usinabilité
acceptable, présente cependant une conductibilité thermique insuffisante.
En fait, l'Homme du Métier choisit toujours une analyse située
à l'intérieur des fourchettes indiquées de façon à obtenir une trempabilité
suffisante pour pouvoir réaliser des pièces d'épaisseur pouvant dépasser
400mm ; en particulier les différents éléments ne peuvent jamais être
simultanément au bas des fourchettes. De ce fait tous ces aciers ont une
conductibilité thermique inférieure à 35W/m/K et lorsque, dans certains
moules, il est nécessaire d'avoir certaines parties dont la conductibilité
thermique est sensiblement supérieure, on réalise les parties
correspondantes en alliage de Cuivre/Aluminium/Fer dont la conductibilité
thermique est supérieure à 40W/m/K. Mais cette technique présente
l'inconvénient de compliquer la fabrication des moules puisque ce sont
alors des objets composites, de plus les alliages utilisés sont beaucoup
plus coûteux que l'acier.
~i~~~4
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Le but de l'invention est de proposer un acier pour la
fabrication de moules pour matières plastiques ou pour caoutchouc qui,
tout en ayant au moins les mémes propriétés mécanique et d'aptitude à
l'usinage des aciers connus, ait une conductibilité thermique supérieure à
40W/m/K afin de permettre notamment de fabriquer des moules
entièrement en acier.
A cet effet, l'invention a pour objet un acier faiblement allié
destiné à la fabrication de moules pour matières plastiques ou pour
caoutchouc, dont la composition chimique comprend en poids
0,24% < C < 0,35%
1 % < Mn < 2,5%
0,3% < Cr < 2,5%
0,1 % < MO + W/2 < 0,8%
0% < Ni < 2,5%
0% < V < 0,3%
Si < 0,5%
0,002% < B < 0,005%
0,005 % < AI < 0,1
0% < Ti < 0,1%
. P < 0,02%
Cette analyse satisfaisant, en plus, aux relations suivantes
U =409(%C) + 19,3[%Cr+ %Mo + %W/2 + %V] + 29,4(%Si)
+ 10(%Mn) +7,2(%Ni) < 200
et,
R=3,82(%C)+9,79(%Si)+3,34(%Mn) +11,94(%P)
+2,39(%Ni)+1,43(%Cr)+1,43(%Mo+%W/2)<11,14
De préférence l'acier contient,
0,24% < C < 0,28%
1 % < Mn < 1,3%
1 % < Cr < 1,5%
0,3% < MO+W/2 < 0,4%
0, 03 % < V < 0,1
L'acier, de préférence, doit contenir moins de 0,1 % de
Silicium.
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On peut ajouter en outre, du Cuivre afin d'obtenir un
durcissement supplémentaire lors du revenu, l'acier doit alors contenir de
0,8% à 2% de Nickel et de 0,5% à 2,5% de Cuivre.
La dureté peut être améliorée par des additions de Niobium,
en des teneurs inférieures à 0,1 % et l'usinabilité peut être améliorée par
des additions de Soufre, Tellure, Sélénium, Bismuth, Calcium, Antimoine,
Plomb, Indium, Zirconium ou Terres rares en des teneurs inférieures à
0,1 %.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'un acier
suivant l'invention pour la fabrication par usinage de blocs d'acier trempés
revenus dont la dureté est comprise entre 270HB et 350HB.
L'invention va maintenant être décrite en regard de la figure 1
qui représente un diagramme de mesure d'usinabilité en perçage selon la
méthode de Taylor.
L'acier selon l'invention est un acier faiblement allié contenant
principalement, en poids
- plus de 0,24%C pour obtenir après trempe et revenu à plus
de 500°C, une dureté supérieure à 270HB, et moins de 0,35%C pour ne
pas trop détériorer la soudabilité et pour limiter l'importance des
ségrégations défavorables à l'usinabilité, à la polissabilité et à la
grainabilité ; de préférence, la teneur en Carbone doit être comprise entre
0,24% et 0,28%.
- plus de 1 % de Manganèse pour augmenter la trempabilité de
l'acier et moins de 2,5% et de préférence moins de 1,3% pour éviter de
trop diminuer la conductibilité thermique de l'acier.
- plus de 0,3% de Chrome également pour augmenter la
trempabilité et notamment éviter la formation de phases ferrito-perlitiques
défavorables à la polissabilité et moins de 2,5% afin de ne pas détériorer la
soudabilité et d'éviter la formation d'une quantité trop importante de
carbures de Chrome défavorables notamment à l'usinabilité ; de préférence
la teneur en Chrome doit être comprise entre 1 % et 1, 5 % .
- plus de 0,1 % et de préférence plus de 0,3% de Molybdène
pour augmenter la trempabilité et pour ralentir l'adoucissement au revenu,
mais moins de 0,8% et de préférence moins de 0,4% car, en trop grande
quantité le Molybdène forme des carbures très durs défavorables à
l'usinabilité, et il ségrège fortement en veines ce qui est défavorable à la
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polissabilité, à la grainabilité et peut également engendrer des ruptures
d'outils au cours de l'usinage. Le Molybdène peut être remplacé totalement
ou partiellement par du Tungstène à raison de 2% de Tungstène pour 1
de Molybdène, si bien que la teneur à prendre en compte est Mo+W/2.
5 - entre 0% et 0,3% et de préférence entre 0,03% et 0,1% de
Vanadium afin de produire un durcissement secondaire au cours du revenu.
- entre 0,002% et 0,005% de Bore accompagné de 0,005% à
0,1% d'Aluminium et de 0% à 0,1% de Titane de façon à augmenter
significativement la trempabilité sans détériorer les autres propriétés.
L'aluminium et le Titane servent à éviter que le Bore ne se combine à
l'Azote presque toujours en quantité telle qu'il faut protéger le Bore.
Pour que ces additions soient efficaces, lorsque la teneur en
Azote est supérieure à 50 ppm la teneur en Aluminium doit être supérieure à
0,05% lorsque la teneur en Titane est inférieure à 0,005% ; lorsque la teneur
en Titane est supérieure à 0,015%, la teneur en Aluminium peut être
inférieure à 0,03% et de préférence être comprise entre 0,020% et 0,030%.
- moins de 0,02% de Phosphore qui est une impureté 20
fragilisante.
- Outre ces éléments principaux de composition chimique,
l'acier contient ou peut contenir des éléments tels que le Silicium, le
Cuivre,
le Nickel soit à titre d'impuretés soit à titre d'éléments d'alliage
complémentaire.
Avantageusement, le contenu en Cuivre de l'acier visé par
l'invention peut être égal ou inférieur à 2% en poids.
De préférence, l'acier visé par l'invention peut en outre
satisfaire à la caractéristique selon laquelle 0.1% <_ W/2 <_ 0.8%.
L'acier, notamment lorsqu'il est fabriqué à partir de ferrailles
contient un peu de Cuivre et de Nickel. Lorsque le Nickel est en faible
quantité, le Cuivre en des teneurs trop importantes créé des défauts lors
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5a
du laminage à chaud ou du forgeage à chaud car il fragilise les joints de
grain. En l'absence d'additions particulières, les teneurs en Nickel et Cuivre
restent inférieures à 0,5% chacune
On peut ajouter jusqu'à 2,5% de Nickel pour augmenter la
trempabilité.
On peut également ajouter du Cuivre pour produire un effet de
durcissement structural. Dans ce cas, la teneur en Cuivre doit être comprise
entre 0,5% et 2% et être accompagnée d'une teneur en Nickel comprise
entre 0,8% et 2,5%.
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La dureté peut également être ajustée par des additions de
Niobium en des teneurs inférieures à 0,1 %.
Lorsque les exigences d'aptitude au polissage ou au grainage
le permettent, on peut améliorer l'usinabilité par des additions de Soufre,
Tellure, Sélénium, Bismuth, Calcium, Antimoine, Plomb, Indium, Zirconium
ou Terres rares en des teneurs inférieures à 0,1 %.
Les inventeurs ont constaté que, dans ce domaine de
composition chimique, lorsque
U =409(%C) + 19,3[%Cr+ (%MO + %W/2) + %V] + 29,4(%Si)
+10(%Mn)+7,2(%Ni)<200
l'usinabilité est très sensiblement meilleure que pour les aciers de type
P20.
Enfin, pour que la conductibilité thermique soit suffisante il
faut que
R=3,82(%C)+9,79(%Si)+3,34(%Mn) +11,94(%P)
+2,39(%Ni)+1,43(%Cr)+1,43(%Mo+%W/2)<11,14
Aussi, la composition chimique doit être choisie pour que
U < 200 et R < 25. La conductibilité thermique est alors supérieure à
40W/m/K
Pour fabriquer un moule, on élabore un acier selon l'invention
en faisant éventuellement une prédésoxydation au Silicium, puis une
désoxydation à l'aluminium, puis on ajoute le titane et le Bore.
Le métal liquide ainsi obtenu est coulé sous forme d'un
demi produit tel qu'un lingot, une brame ou une billette.
Le demi produit est alors réchauffé à une température de
préférence inférieure à 1300°C et soit forgé, soit laminé pour obtenir
une
barre ou une tôle.
La barre ou la tôle est alors trempée pour obtenir dans toute
sa masse une structure martensitique ou martensito-bainitique.
La trempe peut se faire soit directement dans la chaude de
laminage ou de forgeage si la température de fin de laminage ou de fin de
forgeage est inférieure à 1000°C, soit après austénitisation à une
température supérieure au point Acg et de préférence inférieure à
1000°C.
Après trempe à l'air, à l'huile ou à l'eau selon les dimensions,
les barres ou tôles sont soumises à un revenu à température supérieure à
500°C et de préférence supérieure à 550°C de façon à obtenir une
dureté
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comprise entre 270HB et 350HB, et de préférence voisine de 300HB, en
tous points des barres ou tôles et de telle sorte que les contraintes internes
engendrées par la trempe soient relaxées.
On découpe alors des blocs de dimension voulue qui sont
usinés de façon notamment à former l'empreinte de l'objet qu'on souhaite
obtenir par moulage.
La surface de l'empreinte peut alors être soumise à un
traitement de surface tel qu'un polissage ou un grainage pour lui donner
l'aspect de surface souhaité et éventuellement être nitrurée ou chromée.
A titre d'exemple, on a réalisé des moules avec l'acier A de
composition : (% en poids)
C = 0,25%
Si = 0,25%
Mn = 1,1
Cr = 1,3%
Mo = 0,35%
Ni = 0,25%
V = 0,04%
Cu = 0,3%
B = 0,0027%
AI = 0,025%
Ti = 0,020%
S = 0, 001
P = 0,010%
On a réalisé des blocs de 400mm d'épaisseur, austénitisés à
900°C pendant 1 heure, trempés à l'eau puis revenus à 550°C
pendant
1 heure et refroidis à l'air. On a obtenu ainsi une structure martensito-
bainitique de dureté comprise entre 300HB et 318HB en tous points du
produit. La limite d'élasticité Re est de 883MPa et la résistance à la rupture
Rm de 970MPa, soit un rapport Re/Rm voisine de 0,91 ; la résilience KCV
à +20°C est de l'ordre de 60J/cm2.
Le Carbone équivalent de cet acier calculé selon la formule de
l'IIW.
Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15
est
Ceq = 0,808
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l'indice BH est
BH = 508
l'indice d'usinabilité est
U = 151
la conductibilité thermique est
~, = 41 Wm-1 K-1
A titre de comparaison, un bloc de méme dimension réalisé
dans un acier de type P20 de composition,
C = 0,34%
Si = 0,45%
Mn = 0,95%
Cr = 1,85%
Ni = 0,3%
Mo = 0,38%
après austénitisation à 900°C, trempe à l'eau et revenu à 580°C
pendant
1 heure, la dureté était comparable et centrée autour de 300HB. La limite
d'élasticité Re était de 825 MPa et la résistance à la rupture Rm de
1010 MPa soit un rapport Re/Rm voisin de 0,82. La résilience KCV à
+20°C était de l'ordre de 20J/cm2.
Le Carbone équivalent était
Ceq = 0,964
Le coefficient BH
BH = 591
L'indice d'usinabilité
U = 207
La conductibilité thermique
~,= 35Wm-1 K-1
La différence d'indice d'usinabilité U se traduit par une
différence d'aptitude à l'usinage comme l'indique la fig.1 qui représente
des droites de Taylor en perçage pour l'acier A et pour l'acier P20 pris en
exemple. On constate sur cette figure qu'à vitesse de coupe égale, la
longueur qu'on peut percer dans l'acier A est environ 10 fois plus
importante que dans l'acier P20, ou, qu'à longueur percée égale, la vitesse
de coupe admissible est 25% plus importante dans l'acier A que dans
l'acier P20.
~I~1'~~Q
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La soudabilité étant d'autant meilleure que le Carbone
équivalent ou le coefficient BH est faible on constate que l'acier selon
l'invention a une meilleure soudabilité que l'acier P20.
On constate que l'acier A a une conductibilité thermique 17%
plus élevée que celle de l'acier P20, de plus il a une limite d'élasticité et
une résilience nettement supérieure à celles de l'acier P20.
A titre de comparaison également, on a réalisé un bloc de
dimension comparable en acier de composition
C = 0,17
Si = 0,09%
Mn = 2,15%
Cr = 1,45%
Mo = 1,08%
V = 0,55%
B = 0,0007%
Après austénitisation à 900°C, trempe à l'eau, et revenu à
570°C, le bloc avait une dureté voisine de 300HB dans toute la masse et
Le Carbone équivalent était
Ceq = 1,144
Le coefficient BH était
BH = 435
L'indice d'usinabilité U
U = 153
La conductibilité thermique
~. = 35Wm-1 K-1
Cet acier a un indice BH meilleur que celui de l'acier A mais il
a un Carbone équivalent plus mauvais. Son indice d'usinabilité est
comparable à celui de l'acier A mais sa conductibilité thermique est plus
faible de 15%.
On a également fabriqué des blocs de 400mm d'épaisseur en
acier B selon l'invention austénitisés à 920°C, trempés à l'eau et
revenus
à 560°C puis refroidis à l'air. La dureté en tout point était comprise
entre
300HB et 315HB. La limite d'élasticité Re était de 878MPa, et la résistance
à la rupture Rm de 969MPa soit un rapport Re/Rm de 0,91.
La composition de l'acier était
C = 0,25%
. , 21~i'~~~
Si = 0,1
Mn = 1,3%
Cr = 1,3%
Mo = 0,4%
5 V = 0, 01
B = 0,0025%
AI = 0,055%
S = 0,002%
P = 0,015%
10 N i = 0, 8 °/a
Cu = 0,35%
Le carbone équivalent était
Ceq = 0,83
Le coefficient BH était
BH = 512
L'indice d'usinabilité était
U = 153
La conductibilité thermique
~. = 44Wm-1 K-1
Cet acier, dont l'analyse se distingue de celle de l'acier A
principalement par la teneur en Silicium et en Nickel présente les mêmes
avantages que l'acier A et de plus, il a une conductibilité thermique bien
meilleure.
