Qu’est-ce que l’alliage des aciers rapides et à outils – Définition

Acier à outils

L’acier à outils fait référence à une variété d’ aciers au carbone et alliés particulièrement adaptés à la fabrication d’ outils (poinçons, matrices, moules, outils de découpe, de découpage, de formage, d’emboutissage, de direction et de refendage). Leur aptitude vient de leur dureté distinctive, de leur résistance à l’abrasion et à la déformation, et de leur capacité à maintenir un tranchant à des températures élevées. Avec une teneur en carbone comprise entre 0,5% et 1,5%, les aciers à outils sont fabriqués dans des conditions soigneusement contrôlées pour produire la qualité requise. La présence de carbures dans leur matrice joue un rôle prépondérant dans les qualités des aciers à outils.

Ils sont généralement regroupés en deux classes:

• Aciers au carbone simples contenant un pourcentage élevé de carbone, environ 0,80-1,50 %
• Aciers à outils alliés, dans lesquels d’autres éléments (chrome, molybdène, vanadium, tungstène et cobalt) sont ajoutés pour fournir une plus grande résistance, ténacité, résistance à la corrosion et à la chaleur de l’acier.

L’un des sous-groupes d’aciers à outils est les aciers rapides (HSS), qui ont été nommés principalement pour leur capacité à usiner et couper des matériaux à grande vitesse (dureté à chaud élevée). Il est souvent utilisé dans les lames de scies électriques et les forets. Ce groupe d’aciers à outils est décrit dans un article séparé.

Acier à haute vitesse

Les aciers rapides, abrégés en HSS, sont une classe spécialisée d’ aciers à outils qui ont été nommés principalement pour leur capacité à usiner et à couper des matériaux à grande vitesse (dureté à chaud élevée). Il est souvent utilisé dans les lames de scies électriques et les forets. L’acier rapide est supérieur aux anciens outils en acier à haute teneur en carbone en ce sens qu’il peut résister à des températures plus élevées sans perdre son humeur (dureté). Les aciers rapides sont des alliages complexes à base de fer de carbone, de chrome, de vanadium, de molybdène ou de tungstène, ou des combinaisons de ceux-ci. Pour obtenir de bonnes performances de coupe du HSS, une réponse de durcissement appropriée doit être fournie lors du traitement thermique.

La réponse de durcissement obtenue au cours du processus de traitement thermique est au cœur des performances des aciers rapides. Les éléments d’alliage sont introduits en quantités données par l’application visée et par leur fonction dans le processus de traitement thermique, que ce soit pour augmenter la température de solidus ou inhiber la croissance des précipités de durcissement secondaire, permettant une température de fonctionnement plus élevée.

Agents d’alliage dans les aciers rapides et à outils

Le fer pur est trop mou pour être utilisé à des fins de structure, mais l’ajout de petites quantités d’autres éléments (carbone, manganèse ou silicium par exemple) augmente fortement sa résistance mécanique. L’effet synergique des éléments d’alliage et du traitement thermique produit une grande variété de microstructures et de propriétés. Les quatre principaux éléments d’alliage qui forment les carbures dans les aciers rapides sont : le tungstène, le chrome, le vanadium et le molybdène. Ces éléments d’alliage se combinent avec le carbone pour former des composés de carbure très durs et résistants à l’usure. La microstructure des aciers rapides est constitué d’une matrice martensitique avec une dispersion de deux ensembles de carbures. Ces carbures sont généralement appelés carbures primaires et secondaires. Les carbures primaires sont les carbures formés lors de la solidification de l’acier. Les carbures secondaires sont les carbures formés lors du traitement thermique de durcissement secondaire des aciers.

• Tungstène. Produit des carbures stables et affine la granulométrie afin d’augmenter la dureté, en particulier à haute température. Le tungstène est largement utilisé dans les aciers à outils rapides et a été proposé comme substitut du molybdène dans les aciers ferritiques à activation réduite pour les applications nucléaires. L’ajout d’environ 10 % de tungstène et de molybdène au total maximise efficacement la dureté et la ténacité des aciers rapides et maintient ces propriétés aux températures élevées générées lors de la coupe des métaux. Le tungstène et le molybdène sont interchangeables au niveau atomique et favorisent tous deux la résistance au revenu, ce qui améliore les performances de coupe de l’outil à des températures plus élevées.
• Chrome. Le chrome augmente la dureté, la résistance et la résistance à la corrosion. L’effet de renforcement de la formation de carbures métalliques stables aux joints de grains et la forte augmentation de la résistance à la corrosion ont fait du chrome un matériau d’alliage important pour l’acier. De manière générale, la concentration spécifiée pour la plupart des grades est d’environ 4 %. Ce niveau semble donner le meilleur équilibre entre dureté et ténacité. Le chrome joue un rôle important dans le mécanisme de durcissement et est considéré comme irremplaçable. À des températures plus élevées, le chrome contribue à une résistance accrue. Il est habituellement utilisé pour des applications de cette nature en conjonction avec du molybdène.
• Molybdène. Le molybdène (environ 0,50 à 8,00 %) lorsqu’il est ajouté à un acier à outils le rend plus résistant aux hautes températures. Le molybdène augmente la trempabilité et la résistance, en particulier à des températures élevées en raison du point de fusion élevé du molybdène. Le molybdène est unique dans la mesure où il augmente les résistances à la traction et au fluage à haute température de l’acier. Elle retarde beaucoup plus la transformation de l’austénite en perlite que la transformation de l’austénite en bainite ; ainsi, la bainite peut être produite par refroidissement continu d’aciers contenant du molybdène.
• Vanadium. Le vanadium est généralement ajouté à l’acier pour inhiber la croissance des grains pendant le traitement thermique. En contrôlant la croissance des grains, il améliore à la fois la résistance et la ténacité des aciers trempés et revenus. La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température. Le vanadium est ajouté pour favoriser la résistance à l’abrasion et produire des carbures durs et stables qui, n’étant que partiellement solubles, libèrent peu de carbone dans la matrice.

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Voir ci-dessus:
Acier rapide