Dans l'industrie manufacturière, le produit est souvent façonné et assemblé à l'aide d'outils en acier. Ces outils vont des outils familiers et non spécialisés, tels que les perceuses et les tournevis, aux équipements plus spécialisés tels que les matrices pour couler le métal en fusion ou pour former des pièces telles que les panneaux d'automobiles (en ingénierie, le formage signifie le forgeage ou l'estampage). Il existe de nombreux types d'acier à outils. L'acier à outils pour couper le métal est normalement choisi dans une famille appelée aciers rapides (HSS), qui portent ce nom car ils restent durs et résistants à l'usure jusqu'à 600 degrés Celsius (C). Le HSS peut couper les métaux à des vitesses élevées par rapport aux outils en acier plus ordinaire, qui commenceraient à se ramollir au-dessus de 200 degrés C environ. Une distinction similaire existe entre les types d’aciers utilisés pour couler ou former du métal. Dans ces opérations, les ingénieurs parlent d’acier à outils pour travail à chaud et d’acier à outils pour travail à froid. L'acier à outils pour travail à chaud est utilisé pour les matrices qui maintiennent en place les métaux en fusion tels que l'aluminium et le zinc jusqu'à ce que le liquide se solidifie, ou pour former du métal au-dessus de 200 degrés C (environ), tandis que l'acier à outils pour travail à froid est utilisé pour former du métal en dessous de la même température. température.
Introduction
Dans l'industrie manufacturière, les termes « outil » et « acier à outils » ont une signification technique particulière. Ils sont utilisés pour décrire une partie de la machinerie de fabrication qui entre en contact avec le produit et l'acier à partir duquel cette pièce est fabriquée, si elle est en acier (comme c'est généralement le cas).
Les outils, ainsi définis, peuvent être utilisés à des fins de découpe, de moulage ou de formage.
Découpe est l'action effectuée par une perceuse ou l'outil monopoint sur un tour. C'est aussi l'action réalisée par l'outillage multipoints d'une fraiseuse ou d'une lame de scie.
Casting est l'action de maintenir le métal en fusion, ou tout autre matériau en fusion, en place jusqu'à ce qu'il se solidifie.
Mise en forme est l'action de forger, de plier ou d'emboutir une pièce solide, de telle sorte que sa forme soit modifiée sans perte de matière.
Parfois, ces actions sont combinées, par exemple lorsqu'une presse découpe un cercle dans une feuille de métal et en forme simultanément le fond d'une casserole.
Dans cet usage technique, la machine qui contient l'outil et les matériaux à partir desquels la machine qui contient l'outil est fabriquée sont généralement désignés séparément de l'outil lui-même.
L'histoire des aciers à outils
Les tout premiers aciers à outils furent probablement ceux utilisés pour fabriquer des instruments traditionnels tels que des marteaux, des enclumes, des couteaux et des haches. Au début, il était difficile de le distinguer du fer ordinaire fabriqué selon les techniques les plus primitives.
Mais au fil du temps, les forgerons traditionnels ont appris à modifier les propriétés du fer afin de le rendre plus dur pour certaines utilisations et plus résistant pour d'autres. Ces formes modifiées de fer sont devenues les premières véritables formes d’acier.
Aux débuts de la fabrication de l'acier, il y a plus de trois mille ans, les forgerons ont découvert qu'en chauffant du fer d'une certaine composition puis en le plongeant dans de l'huile ou de l'eau, il pouvait être rendu plus dur que s'il était simplement laissé refroidir naturellement. Par « une certaine composition », j’entends le fer qui contenait environ un pour cent en poids, environ, de carbone dissous lorsqu’il était chaud. Une trempe soudaine empêcherait le carbone de sortir de la solution pour former des particules relativement grosses de carbure de fer dans une matrice de fer relativement pur et doux. Au lieu de cela, le processus de trempe a bloqué les atomes de carbone dans ce qui était maintenant une matrice tendue de fer et de carbone appelée martensite, qui est plus difficile à déformer.
Bien entendu, toute cette chimie n’était pas connue à l’époque. Au lieu de cela, les forgerons d’autrefois travaillaient selon diverses règles empiriques. En anglais, cela donne naissance à l’expression « black art ». Le travail des forgerons était un art plutôt qu'une science, il était crasseux et noir physiquement, et en plus de cela, personne ne savait vraiment ce que faisaient les forgerons. Étaient-ils de mèche avec des démons venus du gouffre tout aussi ardent de l’Enfer ? Pour toutes ces raisons, le travail du forgeron était connu sous le nom d'« art noir », un terme qui s'applique aujourd'hui à tout autre processus tout aussi mystérieux.
Image du domaine public d'un forgeron traditionnel (1606 CE) via Wikimedia Commons
Au fil du temps, l’art des forgerons est devenu plus élaboré et plus compétent, même s’il reste un art. Des morceaux d'acier le plus dur seraient placés là où se trouverait le bord d'une lame et combinés avec des morceaux d'acier plus doux mais plus résistant pour former la majeure partie de la lame. Une autre méthode de préparation initiale impliquait la précipitation de dendrites de carbure dans un seul bloc d'acier. Cependant, au départ, le composite était ensuite battu, chauffé et plié plusieurs fois pour briser les impuretés et les bulles de gaz potentiellement fragilisantes, et pour former des lames avec des corps résistants et des bords durs. Ces techniques, dont le nom incluait les Japonais mokume-gane méthode et le Moyen-Orient Damas méthode, produit de l'acier avec des motifs tourbillonnants qui révèlent la structure sous-jacente, en particulier lors de la gravure. Pourtant, il y avait peu de compréhension scientifique de ce qui se passait réellement, par opposition à une compréhension plus intuitive et artistique.
Une épée japonaise réalisée selon la technique mokume-gane sur fond de cotte de mailles. Photographie de « Dafannin », 12 mai 1986, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons.
Les choses sont devenues plus scientifiques à la fin des années 1700 et au début des années 1800. L’émergence de la chimie moderne a clairement montré que l’acier de l’époque était un alliage, voire un composite, de fer et d’autres éléments ; que le principal additif était le carbone ; et que le carbone prenait différentes formes dans l'acier doux, l'acier dur et la fonte (où la concentration de carbone était d'environ quatre pour cent en poids).
En augmentant de manière contrôlée la proportion de carbone dans l'acier, il est devenu possible de produire des aciers extra-durs, bien que quelque peu cassants, qui conviennent parfaitement à la coupe d'autres formes d'acier. Les premiers aciers à outils d'un type moderne étaient ainsi nés.
Ces premiers aciers à outils combinaient une matrice principalement martensite (trempée) avec des inclusions supplémentaires de carbure de fer.
Cependant, ils souffraient de l’inconvénient d’avoir tendance à se ramollir au-dessus de 200 degrés Celsius, ce qui limitait la vitesse à laquelle ils pouvaient être utilisés pour couper d’autres aciers.
En 1868, l'ingénieur écossais Robert Mushet, lui-même fils de l'un des premiers maîtres de forges à reconnaître l'importance du carbone, inventa une forme d'acier qui restait dur à des températures plus élevées.
Connu sous le nom d'acier Mushet, le nouvel alliage contenait non seulement les quantités habituelles de carbone, mais aussi des quantités encore plus importantes de manganèse et de tungstène. L'acier Mushet avait également la propriété inhabituelle de ne pas avoir besoin d'être trempé dans un liquide. Il s'agissait du premier acier « durcissant à l'air » : un acier qui durcissait jusqu'à atteindre des niveaux semblables à ceux de la martensite simplement en refroidissant sous l'effet de la chaleur rouge dans un jet d'air.
Au début des années 1900, les propriétés de l'acier Mushet furent encore améliorées par l'ingénieur américain Frederick Winslow Taylor et ses collègues. Le résultat est devenu connu sous le nom d’acier rapide (HSS). Le HSS reste utilement dur jusqu'à 500 voire 600 degrés Celsius : d'où son nom, car il peut être utilisé pour couper d'autres aciers à des vitesses encore plus élevées que l'acier Mushet. Outre le fer et le carbone communs à tous les types d'acier, la plupart des alliages HSS continuent de contenir de grandes quantités de tungstène, ainsi que du chrome, qui a remplacé le manganèse de la formulation initiale de Mushet.
De nos jours, les pointes en carbure sont souvent utilisées pour les applications de coupe des métaux les plus exigeantes, bien que les aciers rapides restent le matériau préféré pour la fabrication de lames de scie et de forets hélicoïdaux, pour lesquels l'insertion de pointes en carbure serait normalement peu pratique, en particulier dans les plus petits diamètres et les qualités de dents les plus fines.
Mais qu’en est-il du moulage et du formage ?
Jusqu'à présent, j'ai décrit les améliorations apportées aux aciers à outils utilisés pour couper des objets, depuis les premières lames jusqu'aux outils industriels HSS modernes. Cependant, la distinction moderne entre l'acier à outils pour travail à froid et l'acier à outils pour travail à chaud s'applique réellement aux aciers utilisés pour le moulage et le formage.
Les aciers pour travail à chaud sont utilisés pour les processus où la température de l'outil dépasse 200 degrés Celsius (392 degrés Fahrenheit).
Les aciers à outils pour travail à froid sont utilisés pour les processus où la température de l'outil reste inférieure à 200 degrés Celsius.
La ligne de démarcation de 200 degrés Celsius n’est pas absolument dure et rapide, étant donné qu’il existe de nombreux alliages différents avec des propriétés différentes, mais il s’agit d’une ligne de démarcation conventionnelle à laquelle il est largement fait référence dans la littérature.
Avec toutes les formes d'acier à outils, les principales causes de défaillance sont la rupture, la déformation (en particulier la déformation permanente ou « plastique »), l'usure de la surface et le développement de fissures de fatigue superficielles provoquées par des contraintes cycliques. Les contraintes cycliques sont d'origine à la fois mécanique et thermique ; les contraintes thermiques constituent un problème particulièrement grave pour les aciers à outils pour travail à chaud.
Aciers à outils pour travail à froid
Les aciers à outils pour travail à froid sont généralement des aciers à haute teneur en carbone, contenant généralement environ un à un et demi pour cent de carbone en poids. Les types les plus courants sont les nuances d'alliage faiblement durcissant à l'huile, les nuances d'alliage moyen à durcissement à l'air et les nuances à haute teneur en carbone et en chrome.
Les nuances faiblement alliées durcissant à l'huile sont les moins chères. À l’exception du fait qu’ils contiennent moins d’impuretés, ils sont par ailleurs sensiblement les mêmes que les formes anciennes d’acier à outils utilisées avant l’acier Mushet.
Les nuances d'alliages moyens durcissant à l'air durcissent avec moins de distorsion que les aciers qui doivent être trempés. Ils peuvent également être durcis en sections plus épaisses que l'acier trempé à l'huile, jusqu'à 100 millimètres ou plus.
Les qualités à haute teneur en carbone et en chrome, qui sont durcies soit par trempe à l'huile, soit par durcissement à l'air en fonction de leur composition exacte, sont les plus résistantes à l'usure.
Les aciers à outils pour travail à froid sont généralement utilisés pour une multitude d'utilisations industrielles quotidiennes, notamment :
- Moulage sous pression de matières plastiques
- Matrices pour façonner des panneaux métalliques minces tels que les panneaux de carrosserie incurvés des automobiles
- Mandrins et centres de tour
- Rouleaux d'entrainement
- Matrices de profilage pour filetages et moletage
- Broches, alésoirs, tarauds et mandrins
- Roues et supports pour le travail du fil et des tubes froids
- Cisailles, lames et autres outils de coupe, pour les applications où la coupe est brève et où peu de chaleur sera générée
- Jauges
- Matrices de découpage, de dessin et de perçage
Aciers à outils pour travail à chaud
Comme l'acier Mushet et les premiers aciers rapides, les aciers à outils pour travail à chaud contiennent traditionnellement de grandes quantités de tungstène comme élément d'alliage. Cependant, il existe également des aciers à outils pour travail à chaud qui ont le chrome comme principal élément d'alliage, et d'autres nuances qui ont du molybdène comme principal élément d'alliage.
Outre le découpage et le perçage de métaux à grande vitesse, les aciers à outils pour travail à chaud sont généralement utilisés pour :
- Moulage sous pression des métaux
- Extrusion
- Forger
- Fabrication de produits en verre
Sélection des matériaux pour le moulage
Les processus de coulée pour lesquels de l'acier à outils sont utilisés sont appelés moulage sous pression, dans lesquels l'outil sert de matrice, conférant une forme détaillée ou relativement précise à l'article final d'une manière plus fidèle et reproductible que ce qui est possible avec la coulée. moules en sable.
Le moulage sous pression est probablement né du moulage de lettres à caractères mobiles dans les années 1400 de notre ère, dans des matrices ouvertes ayant la forme de chaque lettre. Au sens moderne du terme, le métal est injecté sous pression dans un moule constitué de deux outils opposés, qu'il remplit avec précision.
Les outillages de matrices pour plastiques sont généralement fabriqués à partir de qualités spéciales d'acier pour travail à froid appelées aciers P, d'aluminium ou d'alliages béryllium-cuivre. Les avantages du cuivre et de l'aluminium, pour cette utilisation, incluent une conductivité thermique beaucoup plus élevée et, par conséquent, un refroidissement plus rapide et plus uniforme que l'acier.
En revanche, les moules en acier durent plus longtemps (jusqu'à des millions de cycles) et résistent mieux à l'érosion causée par les jets de plastique se déplaçant rapidement, surtout s'ils contiennent un renfort composite abrasif tel que de la fibre de verre. Certaines finitions de surface ne peuvent également être obtenues de manière fiable qu’avec de l’acier.
Sélection de matériaux pour les processus de formage
Les procédés de formage des métaux pour lesquels des aciers à outils pour travail à froid sont utilisés n'impliquent généralement pas un degré très élevé de déformation globale du métal. L'application de filetages à la surface d'une tige par laminage ou le pressage d'une feuille de métal plate dans les courbes complexes d'un panneau de carrosserie automobile sont typiques des procédés de formage à froid dans ce sens.
Laminage à froid d'un filetage. Graphique de « Tosaka », 12 octobre 2009, CC BY 3.0 via Wikimedia Commons.
Les procédés de travail à froid apportent souvent des améliorations à la qualité du métal grâce à la réorientation de la structure cristalline du métal et écrouissage, bien que l'effet sur la structure cristalline soit généralement confiné à la surface et moins dramatique que dans le cas du forgeage, dont je discute dans la section suivante.
Tous les processus de formage des métaux les plus drastiques impliquent un travail à chaud (au-dessus de 200 degrés Celsius). Comme indiqué, ceux-ci incluent :
- Extrusion, et
- Forger
Comme nous l'avons également mentionné, la fabrication d'articles en verre est une autre application majeure de l'acier à outils pour travail à chaud.
Extrusion est le processus par lequel un matériau chauffé et ramolli est poussé à travers une filière pour former un long article de profil en coupe transversale constant. Les exemples les plus connus d’articles extrudés sont les profilés en plastique et en aluminium, qui peuvent avoir des formes assez complexes. Les sections en plastique peuvent être extrudées à travers des matrices en acier à outils pour travail à froid, mais les sections en aluminium doivent être extrudées à travers des matrices en acier à outils pour travail à chaud.
Une catégorie spéciale d’extrusion est l’extrusion refoulée, utilisée pour former des éléments tels que les corps de canettes en aluminium et les tubes de pilules. Avec l'extrusion inversée, une filière est poussée vers le bas dans une pièce de métal vierge qui coule ensuite vers l'arrière autour de la filière pour former la boîte ou le tube. Il est vraiment remarquable que des boîtes et des tubes avec des parois aussi fines, mais uniformes, puissent être formés par cette méthode.
Les tubes sans soudure sont également fabriqués par extrusion. Une billette solide est chauffée puis percée en son milieu. Il est ensuite placé sur un mandrin et reçoit sa taille finale et son épaisseur de paroi par extrusion.
Forger est le processus par lequel un morceau de métal chaud, souvent chauffé au rouge, est martelé dans sa forme finale par un marteau industriel, avec seulement des opérations d'usinage (coupe) mineures à suivre. Un bon exemple de produit généralement fabriqué par forgeage est une clé. Le marteau peut être entraîné mécaniquement dans les deux sens, ou il peut être soulevé mécaniquement et laissé tomber par gravité (« forgeage »).
Forge de pneus en acier pour roues de train ferroviaire. photo par Rainer Halama, 19 June 2010, CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
Le forgeage est un descendant industriel direct de techniques de forge plus anciennes telles que le mokume-gane et le Damas. Il a un effet similaire, à savoir celui de disperser et de refermer les impuretés vitreuses et les bulles de gaz, ainsi que les gros cristaux ou « grains » que l'on trouve habituellement à l'intérieur du métal brut de coulée – semblables aux paillettes sur une clôture en fer galvanisé. , eux-mêmes une sorte de cristal métallique – qui doivent être brisés et remplacés par des cristaux plus petits et, dans de nombreux cas également, déformés dans la direction des courbes extérieures de la forme finale.
Comme on pouvait s’y attendre, une structure à grains fins est supérieure à une structure à grains grossiers ; et une structure à grains fins dans laquelle les grains suivent également la forme du produit améliore encore davantage les propriétés mécaniques de l'article final, ce qui rend beaucoup moins probable que l'article se fissure dans un coin sous de lourdes charges qu'autrement.
Il existe une très bonne illustration de cristaux qui suivent la forme sur le site Web de dropforging.net. La similitude essentielle avec les produits des forgerons les plus qualifiés des temps anciens est évidente, sauf que dans ce cas, le résultat est un article industriel plutôt qu'une épée.
La plupart des articles mécaniques les plus « sérieux », qui supportent de lourdes charges et qui auraient des conséquences graves, voire très gênantes, s'ils venaient à se briser, sont forgés. Outre les clés, qui pourraient se casser aux points de contrainte maximale, près de l'écrou, si elles étaient fabriquées par une autre méthode, les articles forgés comprennent les vilebrequins des moteurs et les bielles qui relient les pistons au vilebrequin, bien que les pistons eux-mêmes sont généralement coulés. (Les pistons forgés sont cependant utilisés dans les moteurs de course et deviennent de plus en plus populaires dans l'usage général).
Il existe deux principaux types de forgeage : le forgeage ouvert et le forgeage fermé. Le forgeage ouvert donne au métal une forme brute et améliore sa structure intérieure générale, mais ne confère par ailleurs aucune forme ou motif de grain particulièrement défini. Le forgeage à matrice fermée produit des formes et des motifs de grain plus précis.
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