FR3032137A3

FR3032137A3 -

Info

Publication number: FR3032137A3
Application number: FR1650868A
Authority: FR
Inventors: Pavel Kucera
Original assignee: Vitkovice Cylinders A S
Current assignee: Vitkovice Cylinders A S
Priority date: 2015-02-04
Filing date: 2016-02-03
Publication date: 2016-08-05
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: EP3054026A1; CZ29590U1; DE202016000752U1; PL124827U1; ITUB201613701U1; FR3032137B3

Abstract

Outil en acier à outil à durabilité améliorée fabriqué à partir d'une ébauche dont la totalité du volume est traitée thermiquement pour les valeurs de dureté prescrites d'au moins 48 HRC, caractérisé en ce qu'au moins des zones fonctionnelles (4) de l'outil (1) sont pourvues d'une couche de surface (2) constituée d'une partie de couche de base trempée au laser de la couche de surface (2) présentant la dureté de 51 HRC jusqu'à la profondeur de 1,3 mm dans le matériau de base, et la surface extérieure extrême de cette couche de surface (2) est constituée d'une partie de couche superficielle nitrurée au plasma qui présente la dureté d'au moins 56 HRC et la totalité de la couche de surface (2) constituée des deux parties mentionnées est amovible et renouvelable sur le matériau de base à nouveau.

Description

Outil en acier à outil à durabilité améliorée Domaine de l'invention L'invention est relative d'une manière générale à des outils en acier à outil présentant une couche de surface modifiée, et en particulier à ceux utilisés dans la fabrication des outils de formage.

Arrière-plan de l'invention Les aciers à outil ont joué un rôle un irremplaçable dans l'industrie de l'ingénierie. Divers procédés de traitement de surface peuvent être utilisés dans le but d'influencer à la fois la performance et les propriétés de durabilité de différents outils. Ceci s'applique en particulier à des outils de formage pour lesquels il est possible d'améliorer considérablement les propriétés précitées au moyen d'un traitement de surface approprié. Dans le passé, les propriétés de surface des outils de formage étaient habituellement améliorées par l'application de couches de surface carburées ou par l'application de revêtements déposés à base de TiN et/ou de TiCN. Il existe une pluralité de procédés plus modernes, l'un d'entre eux étant appelé le procédé CVD (de dépôt chimique en phase vapeur). Typiquement, le dépôt chimique en phase vapeur est exécuté sous des températures élevées (1 000 °C à 1 200 °C). Les avantages obtenus avec ce procédé comprennent la formation de revêtements déposés présentant une densité et une stabilité thermique élevées et assurant une excellente adhérence entre le matériau de base et le revêtement lui-même, la capacité de déposer des revêtements sur des pièces présentant des formes complexes et les faibles coûts d'acquisition et d'exploitation. Les inconvénients de ce procédé comprennent l'influence néfaste Sur la structure du matériau de base (entraînant une dégradation des propriétés mécaniques de celle-ci) en raison des niveaux de température de traitement élevés, de l'existence de contraintes résiduelles à l'intérieur de la couche de revêtement (en raison de coefficients de dilatation thermiques différents), des exigences énergétiques et en temps élevées, des effets négatifs sur l'environnement engendrés par les gaz de traitement utilisés et un arrondi indésirable des bords tranchants. Un autre procédé, qui est connu sous le nom de PVD (dépôt physique en phase vapeur), est caractérisé par des températures de traitement relativement basses inférieures à 500°C. Ici, les couches de revêtement déposées sont formées sous une pression réduite (de 0,1 Pa à 1,0 Pa). Ce procédé est de préférence utilisé pour déposer des couches de revêtement sur des bords tranchants (présentant un rayon de congé de raccordement inférieur à 20 pm). Les propriétés typiques des couches de revêtement de ce type comprennent une durabilité élevée ainsi que des coefficients de frottement faibles. En outre, des combinaisons de différents matériaux de revêtement à l'intérieur d'une seule couche peuvent être utilisées et des réglages d'épaisseur précis peuvent être sélectionnés. Les inconvénients de ces procédés comprennent un système de vide relativement complexe ainsi que l'effet dit d'ombre. En outre, un revêtement présentant une distribution d'épaisseur non uniforme peut se former sur les surfaces qui ne s'étendent pas dans la direction des particules. Un autre procédé de traitement thermique moderne utilisé pour améliorer les propriétés de surface du matériau est la trempe au laser. Un faisceau laser frappe une couche de surface constituée du matériau à tremper. Il en résulte que la couche de surface est chauffée rapidement dans le but d'atteindre une certaine température, typiquement légèrement en dessous du point de fusion respectif (900 °C à 1400 °C). Lorsque cette température est atteinte, la structure du matériau subit une transition austénitique. Le point d'incidence du faisceau laser est déplacé de façon continue dans la direction d'arrivée, amenant ainsi les points chauds à être rapidement refroidis sous l'effet du transfert de chaleur dans le matériau environnant. Ceci permet la formation d'une structure carburée très mince comprenant de courtes aiguilles de martensite et présentant une petite taille de grain. Cette structure entraînera une augmentation de la dureté de la couche de surface sans compromettre la dureté du coeur ni amorcer la formation de fissures. Le principal avantage du procédé de trempe au laser réside dans le fait qu'il permet de réaliser un durcissement uniquement aux endroits où une durabilité accrue est requise sans affecter les propriétés originales du matériau dans les parties ou les sections restantes de la pièce respective. En outre, ce procédé est respectueux de l'environnement.

Des procédés de traitement de surface basés sur la technologie de la trempe au laser sont décrits dans de multiples documents de brevet. L'applicabilité du procédé de trempe au laser est décrite, par exemple, dans les documents EP 0130749 B1 ou GB 202838. En outre, le document WO 96/28574 décrit l'utilisation du procédé de trempe au laser pour traiter des pièces complexes, dans le présent cas pour traiter les coins intérieurs des pièces. Les inconvénients du dernier procédé mentionné résident dans les coûts d'acquisition et d'exploitation élevés ainsi que dans l'existence de problèmes en liaison avec le traitement de matériaux hautement réflexifs. À l'heure actuelle, la technologie de nitruration au plasma est considérée comme constituant l'une des technologies de traitement de surface les plus progressistes utilisées dans l'industrie de l'ingénierie. Une atmosphère de nitruration est constituée d'un mélange d'azote et d'hydrogène et le procédé de nitruration est typiquement exécuté dans la plage de température de 500 °C à 550 °C. La qualité de la couche de surface nitrurée dépend non seulement de la température de traitement mais également de la composition chimique de l'acier traité, de la qualité de la finition de surface de l'outil respectif et des paramètres physiques du procédé de nitruration, tels que la tension, la durée, la longueur d'impulsion et la pression du mélange gazeux. Ce traitement thermique chimique est utilisé pour augmenter la dureté de surface, la résistance à la corrosion et la résistance à la fatigue. Des avantages supplémentaires comprennent des niveaux élevés de précision et de stabilité du procédé, une consommation de gaz réduite ainsi que la possibilité de nitrurer un outil à ses dimensions finales sans qu'il soit nécessaire de lui faire subir ensuite un traitement de finition à la machine (de rectification ou analogue). Toutefois, un inconvénient majeur consiste en la limitation de la profondeur des couches de surface nitrurées, qui correspond à 0,3 mm du matériau de base, et dans le taux d'usure associé d'une telle couche de surface nitrurée rugueuse. La couche de surface nitrurée reste suffisamment stable sous des températures allant jusqu'à environ 600 C. Au-delà de cette limite de température, les propriétés d'une telle couche de surface, en particulier la résistance à l'abrasion de celle-ci, se dégradent progressivement.

Le procédé de nitruration au plasma est mentionné, par exemple, dans les documents JP 2013-234370 ou KR 100661130 Bi. Le document US 5536549 B1 divulgue l'application de ce procédé pour traiter une surface spéciale d'un support d'enregistrement magnétique dans lequel le métal de base du support de type disque respectif est un acier austénitique. L'objet de l'invention consiste à présenter un outil qui assurerait une durée de service étendue des surfaces fonctionnelles. Un outil de ce type serait traité facilement et, en outre, il permettrait de bénéficier de la structure et des propriétés souhaitées de la couche d'acier en dessous de la surface traitée.35 Divulgation de l'invention Les inconvénients ci-dessus sont largement éliminés par l'outil en acier à outil à durabilité améliorée proposé selon la présente invention, dans lequel au moins plusieurs zones fonctionnelles de l'outil sont pourvues d'une couche de surface constituée d'une partie de couche de base trempée au laser de la couche de surface présentant la dureté de 51 HRC jusqu'à la profondeur de 1,3 mm dans le matériau de base, et la surface extérieure extrême de cette couche de surface est constituée d'une partie de couche superficielle nitrurée au plasma qui présente la dureté d'au moins 56 HRC, et la totalité de la couche de surface constituée des deux parties mentionnées est amovible et renouvelable sur le matériau de base à nouveau.

Vue d'ensemble des figures des dessins La présente invention va être expliquée d'une façon plus détaillée ci-dessous à l'aide des dessins annexés dans lesquels la Figure 1 est une vue de face qui montre un outil de formage rotatif utilisé pour former des épaulements et des étranglements dans la fabrication d'ébauches pour des cylindres d'acier; la Figure 2 est une vue en coupe qui montre l'outil de formage rotatif représenté dans la Figure 1; et la Figure 3 est un diagramme qui représente la différence entre les durées de service de multiples outils de formage rotatifs avant et après avoir subi un traitement de surface combiné basé sur le procédé selon l'invention, respectivement.

Mode de réalisation préféré de l'invention L'outil 1 représenté dans les Figures 1 et 2, à savoir l'outil de formage rotatif, est d'abord usiné à partir d'une pièce forgée dans le but de parvenir à sa forme finale, et est ensuite traité thermiquement dans le but d'obtenir la dureté souhaitée à l'intérieur de la totalité de son volume. Étant donné que le traitement thermique du volume tout entier, basé sur la plage de dureté selon le dessin d'atelier respectif, ne serait pas, comme tel, suffisant pour l'utilisation suivante dans un procédé de formage à chaud, tel qu'un procédé de formage rotatif, par rapport à la résistance à l'abrasion souhaitée, il est nécessaire d'améliorer davantage les propriétés de résistance de surface de l'ébauche. Dans le cas donné, cet objectif peut être réalisé par une couche de surface 2 de l'outil 1 selon la présente invention, où la région fonctionnelle 4 est d'abord traitée thermiquement en utilisant la technologie de trempe au laser. La forme de l'ébauche traitée 3 est illustrée pour information. Pendant ce procédé de traitement, la structure de la couche de surface ainsi que celle d'une sous-couche de surface mince sont transformées en une structure martensitique très fine présentant des valeurs de dureté très élevées jusqu'à 55 HRC. De cette manière, une épaisseur totale de la couche durcie à coeur jusqu'à 1,3 mm peut être obtenue. Une partie de couche de base trempée au laser de la couche de surface 2 est ainsi constituée. Le procédé de trempe au laser est mis en oeuvre à l'aide de dispositifs au laser concentré à filament haute puissance. L'étape de traitement thermique de surface décrite ci-dessus est suivie par l'étape de traitement thermique chimique consistant en l'application de la technologie de la nitruration au plasma. Au cours de cette étape de traitement suivante, des nitrures très fins et très durs se forment dans la couche de surface de l'ébauche d'acier en raison du fait que la couche est saturée en azote. Ceci entraîne la formation d'une couche de surface mince supplémentaire. Cette dernière couche présente au plus une épaisseur de 0,35 mm, sa dureté atteignant jusqu'à 62 HRC. Ce procédé est exécuté dans la plage de température de 520°C à 540°C pendant 24 heures. L'atmosphère de traitement respective contient un mélange gazeux constitué de H2 et de N2 dans le rapport de 80:20. La surface, qui est mise en évidence en gras et qui est désignée par le repère numérique 2, se trouve dans la région 4, qui subit le traitement et à travers laquelle l'outil est amené en contact avec la pièce forgée, c'est-à-dire avec l'ébauche du cylindre d'acier 3 à fermer dans sa partie supérieure au moyen du 5 procédé de formage d'épaulement et d'étranglement. Pendant l'exécution du procédé, la pièce forgée est mise en rotation, imprimant de ce fait un mouvement de rotation à l'outil de formage qui constitue une unité rotative entraînée tournant librement. De cette manière, une partie de couche superficielle 10 nitrurée au plasma de la couche de surface 2 est constituée. Le traitement de surface a été appliqué dans la fabrication d'un outil de formage qui est appelé un "outil de formage rotatif". Un outil de formage de ce type est utilisé pour le formage dit 15 rotatif qui est un procédé utilisé pour le formage d'un épaulement et d'un étranglement dans la fabrication de cylindres d'acier haute pression extrudés vers l'arrière 3 (à titre d'illustration, le procédé, qui est utilisé pour tous les types de cylindres d'acier, peut être comparé avec le procédé de 20 formage d'épaulement et d'étranglement utilisé dans la fabrication de tubes étranglés, ce dernier présentant une extrémité pourvue d'une coiffe sphérique étranglée). L'outil de formage est constitué de l'acier à outil pour travail 25 à chaud QRO 90 Supreme, dont l'équivalent le plus similaire est l'acier X32CrMoV33. Par conséquent, le matériau de base typique utilisé pour fabriquer l'ébauche d'outil est l'acier QRO 90 Supreme mentionné ci-dessus. Avant d'être employé dans le procédé de fabrication, l'outil de formage rotatif est préchauffé pour 30 atteindre une température comprise dans la gamme de 180 à 220°C. Une telle température élevée assure une meilleure adhérence pendant la phase initiale du cycle de formage. Ensuite, le cycle de travail proprement dit commence. Ce cycle principal consiste à chauffer l'ébauche à former pour atteindre une température 35 comprise dans la gamme entre 1000°C et 1200°C, amenant l'ébauche chaude, qui tourne de façon continue autour de son axe médian, en contact avec l'outil de formage rotatif et en pressant ensuite l'outil de formage rotatif contre l'ébauche, entraînant ainsi le matériau de celle-ci à "s'écouler" dans la direction définie par le mouvement oscillant de l'outil de formage rotatif. Pendant le procédé de formage, le matériau formé est réchauffé de façon continue en utilisant des brûleurs dans le but de le maintenir à la température de formage mentionnée ci-dessus. Après l'accomplissement du procédé de formage, la surface de l'outil de formage rotatif est nettoyée au moyen d'un jet à haute pression.

Jusqu'à récemment, seul le procédé de nitruration au plasma a été appliqué comme technologie de traitement de surface dans le but d'améliorer les caractéristiques qui influencent la durabilité de l'outil. Toutefois, cette technologie elle-même n'a pas été capable d'apporter une amélioration à la durée de service totale de l'outil. Au contraire, elle a seulement permis d'apporter une amélioration provisoire. Cela signifie que l'épaisseur de la couche nitrurée contenant des nitrures hautement résistants à l'abrasion fut usée après avoir façonné entre 1800 et 2000 pièces, en moyenne, et ensuite le matériau de base uniquement de l'outil a été utilisé pour façonner les pièces, conduisant à la formation de déformations locales et à une usure due à l'abrasion accrue du matériau de base de l'outil de formage rotatif ainsi qu'au développement d'un effet de "collage" entre ce dernier matériau et celui de la pièce. Au moyen d'une étape de trempe au laser, qui a été incorporée dans le procédé technologique de manière à précéder celle de nitruration au plasma, une structure martensitique très fine peut être obtenue. Cette dernière structure permet la formation d'une sous-couche supplémentaire résistant à l'abrasion qui reste disponible même après une disparition totale de la couche de nitrure en raison de l'usure par abrasion. Simultanément, la transformation martensitique qui se produit pendant le procédé de trempe au laser, assure un affinage de grain significatif à l'intérieur de la couche durcie, qui peut être obtenu en raison de l'effet de refroidissement rapide typique au cours du procédé. Cet affinage de grain constitue également un prérequis significatif pour créer des conditions plus favorables pour l'étape de nitruration qui suit parce qu'il permet de réaliser une diffusion d'azote plus forte dans le matériau en raison de la taille plus petite et du nombre de grains accru. Une fois que la couche de surface de contact 2 de .l'outil de formage 1 avec ses deux parties est usée, la couche de surface restante 2 peut être enlevée et la totalité du cycle technologique peut être répétée et l'outil 1 peut à nouveau être utilisé. Applicabilité industrielle Des outils selon l'invention peuvent être utilisés pour une large gamme d'outils de formage, en particulier pour des matrices de forgeage, des broches de traction et des mâchoires de forgeage. Des outils sont largement applicables à une large gamme de qualités d'acier à outil, pour lesquels ils ont été développés, telles que les qualités 38CrMoV5-1, X400rMoV5-1, ou 56CrNiMoV7, ainsi que de nombreuses autres. L'entreprise du demandeur utilise une gamme étendue d'aciers à outil pour travail à chaud présentant des compositions chimiques similaires et qui sont appropriés pour différents procédés de formage d'acier. Le diagramme représenté dans la Figure 3 illustre les résultats des tests de terrain respectifs dans lesquels une amélioration évidente des valeurs de durabilité de l'outil a été obtenue. En outre, d'autres outils de formage rotatifs, selon l'invention, subissent des tests similaires.

Claims

REVENDICATIONS1. Outil en acier à outil à durabilité améliorée fabriqué à partir d'une ébauche dont la totalité du volume est traitée thermiquement pour les valeurs de moins 48 HRC, caractérisé en ce fonctionnelles (4) de l'outil couche de surface (2) constituée base trempée au laser de la présentant la dureté de 51 HRC 1,3 mm dans le matériau de base, dureté prescrites d'au qu'au moins des zones (1) sont pourvues d'une d'une partie de couche de couche de surface (2) jusqu'à la profondeur de et la surface extérieure extrême de cette couche de surface (2) est constituée d'une partie de couche superficielle nitrurée au plasma qui présente la dureté d'au moins 56 HRC et la totalité de la couche de surface (2) constituée des deux parties mentionnées est amovible et renouvelable sur le matériau de base à nouveau.