[0001] La présente invention concerne l'utilisation d'un acier faiblement allié pour la
fabrication de moules pour matières plastiques ou pour caoutchouc.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] Les moules étant assez souvent réparés par soudure, le métal utilisé doit également
être le plus soudable possible.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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 2% de Chrome, de 0,3% à 0,55% de Molybdène, le
reste étant du fer et des impuretés liées à l'élaboration.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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 :
[0012] Compte tenu de cette relation, la teneur en Carbone doit rester inférieure à 0,238%.
[0013] Cet acier qui a certes, une bonne soudabilité et une usinabilité acceptable, présente
cependant une conductibilité thermique insuffisante.
[0014] 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.
[0015] 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 mêmes 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.
[0016] A cet effet, l'invention a pour objet l'utilisation, pour la fabrication de moules
pour matières plastiques ou pour caoutchouc, d'un acier faiblement allié dont la composition
chimique comprend en poids :
éventuellement, au moins un élément pris parmi Nb, Zr, S, Se, Te, Bi, Ca, Sb, Pb,
In et Terres rares, en des teneurs inférieures à 0,1 %, le reste étant du fer et des
impuretés résultant de l'élaboration,
la composition chimique satisfaisant, en outre, les relations suivantes :
et,
[0018] De préférence, la teneur en silicium de l'acier est inférieure à 0,1%.
[0019] L'acier peut en outre, ajouter du cuivre afin d'obtenir un durcissement supplémentaire
lors du revenu, l'acier doit alors contenir de 0,8% à 2,5% de Nickel et de 0,5% à
2% de Cuivre.
[0020] En général, la fabrication de moules pour matières plastiques ou pour caoutchouc
se fait par usinage de blocs d'acier trempés revenus dont la dureté est comprise entre
270HB et 350HB.
[0021] 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.
[0022] 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 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.
- 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.
[0023] 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 fragilisante.
[0024] 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.
[0025] 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 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
[0026] On peut ajouter jusqu'à 2,5% de Nickel pour augmenter la trempabilité.
[0027] 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%.
[0028] La dureté peut également être ajustée par des additions de Niobium en des teneurs
inférieures à 0,1 %.
[0029] 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
%.
[0030] Les inventeurs ont constaté que, dans ce domaine de composition chimique, lorsque
:
l'usinabilité est très sensiblement meilleure que pour les aciers de type P20.
[0031] Enfin, pour que la conductibilité thermique soit suffisante il faut que :
Aussi, la composition chimique doit être choisie pour que U<200 et R<11,14. La conductibilité
thermique est alors supérieure à 40W/m/K
[0032] Pour fabriquer un moule, on élabore un acier dont la composition définie dans la
revendication 1 est divulguée par le document JP-A-5 302 117 en faisant éventuellement
une prédésoxydation au Silicium, puis une désoxydation à l'aluminium, puis on ajoute
le titane et le Bore.
[0033] Le métal liquide ainsi obtenu est coulé sous forme d'un demi produit tel qu'un lingot,
une brame ou une billette.
[0034] 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.
[0035] La barre ou la tôle est alors trempée pour obtenir dans toute sa masse une structure
martensitique ou martensito-bainitique.
[0036] 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 Ac
3 et de préférence inférieure à 1000°C.
[0037] 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 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.
[0038] 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.
[0039] 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.
[0040] 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%
Al = 0,025%
Ti = 0,020%
S = 0,001%
P = 0,010%
[0041] 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/cm
2.
[0042] Le Carbone équivalent de cet acier calculé selon la formule de l'IIW.
est :
l'indice BH est :
l'indice d'usinabilité est :
la conductibilité thermique est :
[0043] A titre de comparaison, un bloc de même 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/cm
2.
[0044] Le Carbone équivalent était :
[0045] Le coefficient BH :
[0046] L'indice d'usinabilité :
[0047] La conductibilité thermique :
[0048] 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.
[0049] 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.
[0050] 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.
[0051] 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%
[0052] 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 :
[0053] Le Carbone équivalent était :
[0054] Le coefficient BH était :
[0055] L'indice d'usinabilité U
[0056] La conductibilité thermique :
[0057] 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%.
[0058] 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.
[0059] La composition de l'acier était :
C = 0,25%
Si = 0,1%
Mn = 1,3%
Cr = 1,3%
Mo = 0,4%
V = 0,01%
B = 0,0025%
Al = 0,055%
S = 0,002%
P = 0,015%
Ni = 0,8%
Cu = 0,35%
[0060] Le carbone équivalent était :
[0061] Le coefficient BH était :
[0062] L'indice d'usinabilité était :
[0063] La conductibilité thermique :
[0064] 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.