Procédé d'élaboration d'un acier à outils destiné notamment à la fabrication de moules et acier obtenu par ce procédé

Abstract

 La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'un acier à outils destiné notamment à la fabrication de moules d'injection, ainsi qu'un acier à outils obtenu par le procédé. Selon ce procédé :

• on élabore un acier contenant dans sa composition :
     de 0,2 à 2% de carbone
     0,2 à 2% de manganèse
     0,35 à 20% de chrome
     moins de 5% de nickel
     moins de 5% de molybdène
     moins de 5% de vanadium et/ou de tungstène, en addition
     de 0,01 à 0,02% de soufre
     le reste étant du fer;
• lors de son élaboration sous vide, on désoxyde l'acier à l'état fondu en le brassant en présence d'un élément désoxydant;
• on resulfure, sous atmosphère contrôlée, l'acier à l'état fondu pour atteindre une teneur en soufre déterminée;
• on coule l'acier en assurant une solidification progressive et régulière pour éliminer les retards locaux de solidification.

L'intervalle de teneur en soufre est déterminé pour concilier des aptitudes à l'usinage, ainsi qu'au polissage et au grenage.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'un acier à outils destiné notamment à la fabrication de moules d'injection, ainsi qu'un acier à outils obtenu par ce procédé.

[0002] Dans l'industrie des matières plastiques, pour la fabrication de pièces par injection, il est fait usage de moules spécifiques en acier ayant des caractéristiques particulières.

[0003] En effet, les aciers destinés à la fabrication de moules doivent nécessairement concilier, d'une part, une excellente aptitude aux usinages sévères et, d'autre part, une aptitude aux traitements de finition des surfaces d'empreinte du moule, tant du point de vue mécanique, par exemple dans une opération de polissage, que du point de vue chimique, par exemple dans une opération de grenage. Les comportements physiques et/ou chimiques de ces aciers peuvent être antinomiques, ce qui nécessite d'optimiser leurs différentes caractéristiques afin d'aboutir à un compromis satisfaisant.

[0004] On connaît des aciers à outils destinés à la réalisation de moules, contenant une teneur en soufre comprise dans un intervalle de 0 à 0,1% en poids, intervalle de teneur relativement large pour des aciers utilisés dans ce domaine technique.

[0005] En raison de l'amplitude de l'intervalle de la teneur en soufre, ces aciers ont l'inconvénient de ne pas présenter, de façon simultanée, les caractéristiques précitées et de plus, pour certaines teneurs en soufre, les caractéristiques desdits aciers ne sont pas adaptées, en particulier au polissage et/ou au grenage.

[0006] Par ailleurs d'autres caractéristiques sont de nature à nuire à l'aptitude au polissage et au grenage.

[0007] On peut citer, notamment, à cet égard, la présence dans ces aciers d'inclusions d'oxydes dues à un taux de désoxydation insuffisant de l'acier à l'état fondu lors de son élaboration. Ceci s'explique par le fait que la désoxydation est volontairement limitée pour éviter l'élimination du soufre qui se fait de manière simultanée.

[0008] Dans un autre exemple, il peut se produire une distribution hétérogène des sulfures, par un phénomène de ségrégation localisée, qui a lieu lors de la solidification insuffisamment contrôlée de l'acier en lingotière.

[0009] L'invention a pour but de pallier entre autres ces différents inconvénients, en proposant un acier à outils de qualité améliorée, notamment pour la fabrication de moules.

[0010] Elle a pour objet un procédé dans lequel :

• on élabore un acier contenant dans sa composition :
     de 0,2 à 2% de carbone
     0,2 à 2% de manganèse
     0,35 à 20% de chrome
     moins de 5% de nickel
     moins de 5% de vanadium et/ou de tungstène en addition
     moins de 5% de molybdène
     de 0,01 à 0,02% de soufre,
     le reste étant du fer;
• lors de son élaboration sous vide, on désoxyde l'acier à l'état fondu en le brassant en présence d'un élément désoxydant;
• on resulfure, sous atmosphère contrôlée, l'acier à l'état fondu pour atteindre une teneur en soufre déterminée;
• on coule l'acier en assurant une solidification progressive et régulière pour éliminer les retards locaux de solidification.

[0011] Suivant d'autres caractéristiques :

• on élabore un acier contenant en outre dans sa composition :
     moins de 0,02% de sélénium
     moins de 0,02% de tellure
     moins de 0,01% de bore
     moins de 0,01% de cérium
     ces éléments étant pris ensemble ou séparément, et pouvants être introduits en complément.
• l'élément désoxydant est choisi parmi le calcium, le silicium, l'aluminium, le zirconium, le titane.
• la teneur en calcium est comprise dans l'intervalle de 5.10⁻⁴ à 0,035% en poids.
• la teneur en soufre est comprise dans l'intervalle de 0,01 à 0,02% en poids.
• l'atmosphère contrôlée est de préférence un gaz neutre choisi parmi l'argon, l'azote, l'hélium.

[0012] L'invention concerne également un acier à outils destiné notamment à la fabrication de moules d'injection, obtenu par le procédé et comprenant dans sa composition une teneur en soufre comprise dans l'intervalle de 0,01 à 0,02% en poids.

[0013] La description qui suit et le dessin annexé, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre l'invention.

[0014] La figure unique est une courbe mettant en évidence la densité de micro-piqûres de diamètre moyen inférieur à 25 um, après une opération de polissage, en fonction de la teneur en soufre entrant dans la composition de l'acier.

[0015] Dans le procédé selon l'invention on élabore un acier à outils destiné à la fabrication de moules en contrôlant une opération de désoxydation pendant laquelle les éléments de composition sont à l'état fondu sous vide à une pression inférieure à 10 mm de Hg. L'opération de désoxydation consiste en un brassage de l'acier en présence de calcium. Le calcium peut être remplacé par d'autres éléments désoxydants, comme par exemple le silicium, l'aluminium, le zirconium, le titane à des teneurs inférieures à 0,35%.

[0016] Pendant cette opération, le soufre a tendance à s'échapper de l'acier en fusion. Il n'en subsiste, après désoxydation, que quelques traces, c'est-à-dire moins de 0,002%.

[0017] Une autre opération selon le procédé consiste en une resulfuration de l'acier fondu sous une atmosphère contrôlée d'un gaz neutre, tel que l'argon. Cette opération permet, après l'élimination du soufre par l'opération de désoxydation, de resulfurer l'acier à teneur voulue, sans risque de réoxydation notable.

[0018] L'atmosphère contrôlée d'argon peut être remplacée par une atmosphère contrôlée d'azote, d'hélium.

[0019] Une troisième opération selon le procédé comprend une coulée de l'acier dans des conditions qui assurent une solidification progressive et régulière évitant des retards locaux de solidification et des effets de ségrégation des sulfures.

[0020] Dans une forme du procédé selon l'invention, les éléments choisis parmi le sélénium, le tellure, le bore, le cérium, introduits dans la composition de l'acier en élément unique ou en combinaison ont pour effet de renforcer l'effet du soufre sur l'usinabilité sans nuire notablement aux autres caractéristiques de l'acier.

[0021] De préférence les teneurs de ces éléments sont les suivantes :
   moins de 0,02% de sélénium
   moins de 0,02% de tellure
   moins de 0,01% de bore
   moins de 0,01% de cérium

[0022] Un exemple d'acier obtenu selon le procédé décrit ci-dessus, dont une composition est la suivante :
   carbone : 0,4%
   manganèse : 1,4%
   chrome : 1,9%
   molybdène : 0,2%
   le reste étant du fer et des éléments métalliques résiduels désoxydants,
possède une teneur en soufre comprise dans l'intervalle de 0,01 à 0,02% en poids et particulièrement une teneur de 0,014% en poids.

[0023] De manière inattendue, on constate qu'une telle teneur en soufre dans l'acier obtenu par le procédé selon l'invention donne à cet acier des caractéristiques mécaniques et chimiques particulièrement adaptées à l'application dans le domaine des moules d'injection.

[0024] L'homogénéisation du soufre en proportion définie dans l'acier est améliorée par la solidification de l'acier dans une lingotière assurant une faible tendance à la méso-ségrégation et cela par le contrôle d'une avancée régulière du front de solidification.

[0025] Cependant différentes méthodes peuvent être utilisées telles que le brassage par bullage ou électromagnétique.

[0026] L'effet particulier du soufre, dans l'intervalle des teneurs selon l'invention est lié au fait que ledit soufre a un rôle favorable à l'usinabilité dans un large domaine englobant l'intervalle des teneurs selon l'invention, et qu'en contrepartie, il a été constaté qu'au-dessus des teneurs définies selon l'invention, son rôle était particulièrement néfaste lors d'opérations telles que le polissage et le grenage.

[0027] La figure unique est une courbe mettant en évidence la densité de micro-piqûres de diamètre moyen inférieur à 25 um, après une opération de polissage, en fonction de la teneur en soufre entrant dans la composition de l'acier cité en exemple :

• une teneur en soufre inférieure à 0,01% ne donne pas à l'acier des caractéristiques d'usinabilité acceptables;
• une teneur en soufre supérieure à 0,02% améliore effectivement l'usinabilité, mais comme il a été remarqué, simultanément, l'excès de soufre affecte les aptitudes au polissage et au grenage;
• en revanche, une teneur en soufre comprise entre 0,01% et 0,02% permet de concilier l'ensemble des caractéristiques requises.

[0028] Ces remarques ont imposé un contrôle des teneurs en soufre dans l'acier selon l'invention et une nécessité d'homogénéiser le soufre dans l'acier en limitant le processus de méso-ségrégation dudit soufre au cours de la solidification de l'acier liquide, de façon à assurer une distribution homogène des sulfures. Cette limitation à la méso-ségrégation, de type ségrégation localisée en veines, est obtenu en contrôlant la cinétique de solidification par une avancée régulière du front de solidification, évitant ainsi le piégeage de poches liquides enrichies en métal ségrégé à l'arrière du front de solidification.

Revendications

1. Procédé d'élaboration d'un acier à outils destiné notamment à la fabrication de moules d'injection, caractérisé en ce que :

- on élabore un acier contenant dans sa composition :
   de 0,2 à 2% de carbone
   0,2 à 2% de manganèse
   0,35 à 20% de chrome
   moins de 5% de nickel
   moins de 5% de molybdène
   moins de 5% de vanadium et/ou de tungstène, en addition.
   de 0,01 à 0,02% de soufre
   le reste étant du fer;

- lors de son élaboration sous vide, on désoxyde l'acier à l'état fondu en le brassant en présence d'un élément désoxydant;

- on resulfure, sous atmosphère contrôlée, l'acier à l'état fondu pour atteindre une teneur en soufre déterminée;

- on coule l'acier en assurant une solidification progressive et régulière pour éliminer les retards locaux de solidification.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on élabore un acier contenant, en outre, dans sa composition :
   moins de 0,02% de sélénium
   moins de 0,02% de tellure
   moins de 0,01% de bore
   moins de 0,01% de cérium

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément désoxydant est choisi parmi le calcium, le silicium, l'aluminium, le zirconium, le titane.

4. procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la teneur en calcium est comprise dans l'intervalle de 5.10⁻⁴ à 0,035% en poids.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en soufre est comprise dans l'intervalle de 0,01 à 0,02% en poids.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère contrôlée est un gaz neutre choisi parmi l'argon, l'azote, l'hélium.

7. Acier à outils destiné notamment à la fabrication de moules d'injection, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.

8. Acier selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend, dans sa composition, une teneur en soufre comprise dans l'intervalle de 0,01 à 0,02% en poids.

9. Utilisation d'un acier selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, pour la fabrication de moules d'injection.

Dessins