WO2003083154A1 - Bloc en acier pour la fabrication de moules pour le moulage par injection de matieres plastiques ou pour la fabrication d'outils pour le travail des metaux - Google Patents

Bloc en acier pour la fabrication de moules pour le moulage par injection de matieres plastiques ou pour la fabrication d'outils pour le travail des metaux Download PDF

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WO2003083154A1
WO2003083154A1 PCT/FR2003/001014 FR0301014W WO03083154A1 WO 2003083154 A1 WO2003083154 A1 WO 2003083154A1 FR 0301014 W FR0301014 W FR 0301014W WO 03083154 A1 WO03083154 A1 WO 03083154A1
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Jean Beguinot
Christian Le Calvez
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Industeel (France)
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Definitions

  • the present invention relates to a steel block which can be used, in particular, for the manufacture of molds for the injection molding of plastics or for the manufacture of tools for working with metals.
  • the molds for plastic injection molding are, in general, made of steels whose hardness is close to 300HB. However, when these molds are used for molding plastics such as engineering plastics or thermosetting plastics, it is preferable to use harder steels which are more resistant to wear.
  • a steel of type 55 NCDV 7 is then used containing approximately 0.55% of carbon, 1.75% of nickel, chromium, molybdenum and vanadium. This steel makes it possible to manufacture molds whose hardness is close to 400 HB.
  • this steel has several disadvantages: it is difficult to machine and difficult to weld. In addition, this steel often has localized segregations which constitute hard spots which are detrimental to the ability to polish or chemically grained.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a steel for molds or for metalworking which is more easily weldable, easier to machine, to polish and to etch than steels according to the prior art, and making it possible to manufacture parts having a hardness of the order of 400HB, including after hardening on the surface by nitriding, which requires that the required characteristics, in particular in hardness, be compatible with tempering at least 530 ° C.
  • the invention relates to a steel block with a thickness greater than
  • the chemical composition of the steel comprising, in% by weight:
  • Tr 1.8xC + 1.1xMn + 0.7xNi + 0.6xCr + 1.6xMo * + 0.5
  • Dr 54xC 0 '25 + 24,5x (Mo * + 3xV *) 0' 30 + 1, + 58xMn 0,74xNi + 1, 8xSi + 12.5x (Cr) 0 '20
  • R 3.8xC + 10xSi + 3.3xMn + 2.4xNi + 1, 4x (Cr + Mo *)
  • Mo * Mo + W / 2
  • V * V + Nb / 2 + Ta / 4 and the contents of boron, aluminum, titanium, zirconium and nitrogen, expressed in thousandths of% by weight, are such that:
  • the chemical composition is such that:
  • the chemical composition is such that:
  • the composition is such that: U ⁇ 750, more preferably U ⁇ 700, and better still U ⁇ 650.
  • the chemical composition of the steel is such that:
  • the invention also relates to a steel mold part machined from a block in accordance with the invention, at least part of the surface of which is hardened by nitriding and whose hardness at all points is between 370HB and 450HB.
  • the steel according to the invention is also intended for manufacturing parts for metalworking.
  • the parts for molds or for metalworking are manufactured by machining in solid hardened steel blocks to obtain a homogeneous martensito-bainitic structure and tempered to obtain the desired hardness and ductility properties. It is then necessary to use a steel having a high hardenability and a high hardenability. However, these hardened steels must have the best possible machinability and the highest possible thermal conductivity. The latter property is useful for improving the productivity of molding operations. A priori, the combination of these different properties is contradictory. In fact, it is known that steel is all the less easy to machine as it is hard and it is known to improve machinability by adding addition elements such as sulfur, calcium, selenium , tellurium or lead.
  • steel must contain: 0.120%) to 0.320% carbon to form hardening carbides without, however, greatly damaging the weldability, toughness and machinability, preferably this content should be between 0.200% and 0.320%, and better still, between 0.220% and 0.280%. - Less than 0.8%, preferably less than 0.45% and better, less than 0.30%, and better still less than 0.15% of silicon.
  • This element generally used to deoxidize steel during production has an unfavorable effect on thermal conductivity. However, it is still present at least in trace amounts.
  • the minimum manganese content must preferably be adapted accordingly and be at least 5 times, and preferably 7 times the sulfur content.
  • chromium Less than 3.5% of chromium, and preferably from 0.5% to 2.5% of chromium, and more preferably still, from 1% to 2.5%.
  • This element makes it possible to increase the quenchability, but in too large a quantity, it tends to enrich the carbides in chromium to the detriment of other more favorable elements such as molybdenum, tungsten, vanadium, niobium and tantalum. It can be present in traces.
  • These elements are strongly soaking. In addition, they significantly reduce softening on tempering, which is desirable when the mold cavities are subjected to surface treatments such as nitriding at temperatures of at least 500 ° C. However, in too large a quantity, they deteriorate the machinability.
  • - optionally at least one element taken from vanadium, niobium and tantalum in contents such that the sum V * V + Nb / 2 + Ta / 4 is less than 0.5%, and better still, less than 0, 3%, and better still, less than 0.2%.
  • Copper can exist in traces or impurities.
  • the sum of the contents of these elements must remain less than 0.200%.
  • the sum of the contents of these elements must remain less than 0.025%, or better still, less than 0.005%.
  • the steel is intended for the manufacture of molds whose surface is polished and chemically grained, it is preferable that the steel does not contain such elements.
  • the steel when the steel is intended for the manufacture of molds whose surface is polished and grained chemically, it is preferable that the steel does not contain this element because its positive action on the machinability is carried out in conjunction with the sulfur of which the addition is preferably limited when the steel must be polished or seeded.
  • the rest of the composition consists of iron and impurities resulting from the production. It should be noted that, for all the elements of addition whose minimum content is not imposed, when these elements are not added, they can always be at least in the form of residuals or impurities, in contents very weak.
  • composition of the steel must be chosen in order to obtain the desired characteristics of use.
  • composition must be such that:
  • Tr 1.8xC + 1, 1xMn + 0.7xNi + 0.6xCr + 1.6xMo * + 0.5 represents the hardenability of the steel and must be greater than 3.2 and better still greater than 4, 5 to obtain sufficient hardenability. In particular, Tr must be greater than 4.5 in order to obtain a martensito-bainitic structure without trace of pearlitic structure on parts whose thickness can exceed 1000 mm and reach 1500mm.
  • Dr 54xC 0.25 + 24.5x (Mo * + 3xV *) 0 '30 + 1.58xMn + 0.74xNi + 1.8xSi + 12.5x (Cr) 0 ' 20 must be between 77 and 85 in order to obtain sufficient hardening by carbides without, however, deteriorating the machinability too much.
  • composition must also satisfy the relationship Mo * + 3xV *> 0.1%; when U ⁇ 750 and the analysis corresponds to the preferred domain: 0.200% ⁇ C ⁇ 0.320%
  • the blocks are austenitized, possibly in hot forging or rolling, at a temperature above AC 3 and preferably below 950 ° C., in particular when the steel contains boron, then they are quenched in air, l oil or water depending on the thickness and hardenability of the steel, so as to obtain a martensitic or martensitic-bainitic structure throughout the mass. Finally, they returned to a temperature greater than 500 ° C and, preferably, at least equal to 550 ° C, but less than AC-i. A hardness of between 370HB and 450HB is thus obtained. ,
  • parts of molds are molded in known manner having imprints which are polished and possibly grained.
  • these parts are hardened on the surface, for example by gaseous nitriding. After gaseous nitriding, apart from the extreme surface of the parts which is nitrided, the hardness of the steel remains between 370 HB and 450 HB approximately.
  • Examples 1, 3, 5, 6, 9 to 15, 17 and 18 are in accordance with the invention and Examples 21 to 26 are given by way of comparison. These steels do not contain additions of sulfur, selenium, tellurium, lead, bismuth or calcium. They do however contain a little sulfur, between 0.010% and 0.020%.
  • the hardness HB was determined in the quenched quenched state, that is to say for a martensitic or martensito-bainitic structure returned to 550 ° C. in all cases, except for Example 26, the quenching was carried out at 625 ° C. Table 1
  • the hardness HVZAT was also determined in the zone affected by the inage heat of a weld which was compared with the hardness HVbase of the base metal ect by heat. These results are reported in Table 3.
  • the steels according to the invention have better machinability (lower U coefficient) than the steels given for comparison .
  • they have a better ability to repair by welding and above all a much better ability to polish after repair than that of the steels given for comparison since the hardness in ZAT is lower and the ratio HVZAT / HVbase is lower.
  • the hardness in ZAT HVZAT is always less than 670 HV, and less than 600HV when the carbon is less than or equal to 0.3%, and the HVZAT / HVbase ratio is always less than 1.5 , and less than 1, 3 when the carbon is less than 0.3%.
  • the quenchability Tr is greater than that of the steels given for comparison and can exceed 4.5, even 5 or even 6, while retaining good properties elsewhere, which makes it possible to manufacture blocks whose thickness can reach 1500mm and whose properties conform to what is desired for the manufacture of molds or parts for metalworking.
  • steels are suitable for the manufacture of parts for plastic injection molds or for molds for metals such as light alloys. They are also suitable for the manufacture of tooling parts for metalworking.

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Abstract

Blocs en acier pour la fabrication de moules d'injection de matière plastique ou de métaux ou pour la fabrication d'outils pour le travail des métaux d'épaisseur > 20 mm, de structure entièrement martensitique ou martensito-bainitique, dont la dureté en tous points est comprise entre 370 HB et 450 HB, et dont la composition chimique comprend, en % en poids: 0,12% <= C <= 0,32% ; Si <= 0,8% ; Mn <= 2,5% ; Ni <= 3% ; Cr <= 3,5%; Mo+W/2 <= 2,2% ; V + Nb/2 + Ta/4 <= 0,5%; Al <= 0,4% ; Ti + Zr/2 <= 0,1%; 0,0005% < B < 0,015%, S+Se+Te < 0,2%, Pb+Bi < 0,2%,Ca < 0,1%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. La composition chimique satisfaisant en outre les relations suivantes: 3,2 <= Tr <= 6,5; 77 <= Dr <= 85 ; U <= 850 ; dans lesquelles, pour des teneurs exprimées en %, Tr = 1,8xC + 1,1xMn +0,7xNi + 0,6xCr + 1,6xMo* + 0,5 ; Dr = 54xC<0,25> + 24,5x(Mo* + 3xV*)<0,30> + 1,58xMn + 0,74xNi + 1,8xSi + 12,5x(Cr)<0,20>; U = 1600xC + 100x(0,25xCr + Mo* + 4,5xV*) ; R = 3,8xC + 10xSi + 3,3xMn + 2,4xNi + 1,4x(Cr + Mo*); Mo* = Mo + W/2 ; V* = V + Nb/2 + Ta/4; les teneurs en Al, Ti, Zv, N et B étant telles que : B >= 1/3 x K1 + 0,5 ; avec K1 = Min (I*; J*), I* = Max (O ; I) ; J= Max (O ; J); I = Min (N ; N-0,29 (Ti + Zr/2 - 5)); formula (a).

Description

BLOC EN ACIER POUR LA FABRICATION DE MOULES POUR LE MOULAGE
PAR INJECTION DE MATIERES PLASTIQUES OU POUR LA FABRICATION
D'OUTILS POUR LE TRAVAIL DES METAUX
La présente invention est relative à un bloc en acier utilisable, notamment, pour la fabrication de moules pour le moulage par injection de matières plastiques ou pour la fabrication d'outils pour le travail des métaux.
Les moules pour le moulage par injection de matières plastiques sont, en général, réalisés en aciers dont la dureté est voisine de 300HB. Cependant, lorsque ces moules sont utilisés pour le moulage de plastiques tels que les plastiques techniques ou les plastiques thermodurcissables, il est préférable d'utiliser des aciers plus durs résistant mieux à l'usure. On utilise alors un acier du type 55 NCDV 7 contenant environ 0,55% de carbone, 1 ,75% de nickel, du chrome, du molybdène et du vanadium. Cet acier permet de fabriquer des moules dont la dureté est voisine de 400 HB. Cet acier présente cependant plusieurs inconvénients : il est difficile à usiner et difficile à souder. En outre, cet acier comporte souvent des ségrégations localisées qui constituent des points durs préjudiciables à l'aptitude au polissage ou au grainage chimique. Ces deux inconvénients sont particulièrement gênants car la fabrication des moules nécessite des usinages importants et les moules sont généralement réparés par rechargement par soudure et polis ou graines. En outre, ces moules doivent pouvoir être durcis en surface, par exemple par nitruration, sans perdre leur dureté. Ces aciers sont également utilisés pour fabriquer des moules pour le moulage des métaux tels que les alliages légers ou pour fabriquer des pièces destinées au travail des métaux par exemple par emboutissage ou par matriçage ou par forgeage. Pour ces applications, les aciers connus ont les mêmes inconvénients que pour le moulage des matières plastiques.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un acier pour moules ou pour le travail des métaux plus facilement soudable, plus facile à usiner, à polir et à graiper que les aciers selon l'art antérieur, et permettant de fabriquer des pièces ayant une dureté de l'ordre de 400HB, y compris après durcissement en surface par nitruration, ce qui impose que les caractéristiques requises, notamment en dureté, soient compatibles avec un revenu à au moins 530°C. A cet effet, l'invention a pour objet un bloc en acier d'épaisseur supérieure à
20 mm et pouvant aller jusqu'à 1500mm, dont la structure est martensitique ou martensito-bainitique, dont la dureté est comprise entre 370 HB et 450 HB environ en tous points, destiné à la fabrication de pièces pour moules ou pour le travail des métaux, la composition chimique de l'acier comprenant, en % en poids :
0,120% < C < 0,320%
Si < 0,8%
Mn < 2,5%
Ni < 3% Cr < 3,5%
Mo+W/2 < 2,2%
V + Nb/2 + Ta/4 < 0,5%
Al < 0,4%
Ti + Zr/2 < 0,1 % - du bore en une teneur comprise entre 0,0005% et 0,015%,
- éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le soufre, le sélénium et le tellure, la somme des teneurs en ces éléments étant inférieure ou égale à 0,2%,
- éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le plomb et le bismuth, la somme des teneurs en ces éléments étant inférieure ou égale à 0,2%, - éventuellement du calcium en une teneur inférieure ou égale à 0,1%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, le cuivre étant une impureté, la composition chimique satisfaisant en outre les relations suivantes :
3,2 < Tr < 6,5 77 < Dr < 85 U < 850
Mo* + 3xV* > 0,1% dans lesquelles, pour des teneurs exprimées en %, :
Tr = 1 ,8xC + 1 ,1xMn +0,7xNi + 0,6xCr + 1 ,6xMo* + 0,5
Dr = 54xC0'25 + 24,5x(Mo* + 3xV*)0'30 + 1 ,58xMn + 0,74xNi + 1 ,8xSi + 12,5x(Cr)0'20
U = 1600xC + 100x(0,25xCr + Mo* + 4,5xV*)
R = 3,8xC + 10xSi + 3,3xMn + 2,4xNi + 1 ,4x(Cr + Mo*)
Mo* = Mo + W/2
V* = V + Nb/2 + Ta/4 et les teneurs en bore, aluminium, titane, zirconium et azote, exprimées en millièmes de % en poids, sont telles que :
Figure imgf000004_0001
avec K1 = Min (I* ; J*) l*= Max(0;l) et J* = Max(0;J) l= Min(N ; N-0,29(Ti + Zr/2-5))
Figure imgf000004_0002
De préférence, la composition chimique est telle que :
R >11 De préférence également, la composition chimique est telle que :
R < 2,7xTr Il est préférable que la teneur en silicium reste strictement inférieure à 0,45% en poids.
De préférence, la composition est telle que : U < 750, plus preférentiellement U < 700 , et mieux encore U < 650.
En outre, et plus particulièrement lorsque U < 750, il est préférable que la composition chimique de l'acier soit telle que :
0,200 % < C < 0,320 % Si < 0,30 % 0,3 % < Mn < 1 ,8 %
Ni < 2 %
0,5%<Cr<2,5%
Mo + W/2 < 1,8%
V + Nb/2 + Ta/4 < 0,3% Mo* + 3xV* > 0,3% et mieux encore, telle que U < 650 et :
0,220 % < C < 0,280 % Si < 0,15% 0,8 % < Mn < 1 ,6 % Ni < 2 %
1 %<Cr<2,5% Mo + W/2 < 1 ,5 % V + Nb/2 + Ta/4 < 0,2 % Mo* + 3xV* > 0,4% Il est alors préférable que la composition soit telle que Tr > 4,5. L'invention concerne également une pièce de moule en acier usinée dans un bloc conforme à l'invention, dont au moins une partie de la surface est durcie par nitruration et dont la dureté en tous points est comprise entre 370HB et450HB.
L'acier selon l'invention est également destiné à fabriquer des pièces pour le travail des métaux.
L'invention va maintenant être décrite de façon plus précise mais non limitative et illustrée par des exemples.
Les pièces pour moules ou pour le travail des métaux sont fabriquées par usinage dans des blocs d'acier massifs trempés pour obtenir une structure martensito-bainitique homogène et revenus pour obtenir les propriétés souhaitées de dureté et ductilité. Il est alors nécessaire d'utiliser un acier ayant une trempabilité élevée et une aptitude au durcissement importante. Mais ces aciers durcis doivent avoir une usinabilité la meilleure possible et une conductivité thermique la plus élevée possible. Cette dernière propriété est utile pour améliorer la productivité des opérations de moulage. A priori, la combinaison de ces différentes propriétés est contradictoire. En effet, il est connu que l'acier est d'autant moins facile à usiner qu'il est dur et il est connu d'améliorer l'usinabilité en ajoutant des éléments d'addition tels que le soufre, le calcium, le sélénium, le tellure ou le plomb. Mais, dans les aciers à moules ces additions doivent être limitées car, bien qu'elles soient acceptables lorsque la surface des empreintes des moules est grainée, elles sont néfastes quand les surfaces sont polies. En tout état de cause de telles additions sont insuffisantes. On sait également que la conductivité thermique de l'acier et sa trempabilité varient en sens inverse en fonction de sa composition. Ces exigences sont donc contradictoires. Cependant, les inventeurs ont constaté de façon nouvelle qu'il est possible de trouver des domaines de composition permettant d'obtenir des combinaisons de propriétés sensiblement meilleures que celles des aciers connus. Ces domaines de composition sont définis d'une part par des fourchettes de teneurs en chacun des éléments de la composition, et d'autre part, par des formules à respecter.
Pour obtenir de telles combinaisons de propriétés, l'acier doit contenir : de 0,120%) à 0,320% de carbone pour former des carbures durcissant sans toutefois trop détériorer la soudabilité, la ténacité et l'usinabilité, de préférence, cette teneur doit être comprise entre 0,200% et 0,320%, et mieux, comprise entre 0,220% et 0,280% . - moins de 0,8%, de préférence moins de 0,45% et mieux, moins de 0,30%, et mieux encore moins de 0,15% de silicium. Cet élément utilisé généralement pour désoxyder l'acier au cours de l'élaboration a un effet défavorable sur la conductivité thermique. Cependant, il est toujours présent au moins à l'état de traces. - moins de 2,5% de manganèse, et de préférence, de 0,3% à 1 ,8%, et mieux, de 0,80 % à 1 ,60%, pour obtenir une bonne trempabilité sans toutefois engendrer trop de ségrégations qui réduiraient l'aptitude à obtenir de bons états de surface sur les moules. Cet élément est toujours présent au moins à l'état de traces. En outre, il est préférable que sa teneur soit supérieure à 0,1% afin de piéger le soufre toujours présent à l'état d'impuretés. Si du soufre a été ajouté pour améliorer l'usinabilité, la teneur minimale en manganèse doit être preférentiellement adaptée en conséquence et être d'au moins 5 fois, et de préférence 7 fois la teneur en soufre.
- moins de 3 % de nickel, de préférence moins de 2%. Cet élément permet d'augmenter la trempabilité mais il est très coûteux. Il peut être présent à l'état de traces. Cependant, dans les applications requérant une forte ténacité et une très bonne homogénéité de dureté, il peut être intéressant de réduire la teneur en manganèse au profit du nickel à raison d'une part de manganèse en substitution de deux parts de nickel. Une telle substitution a l'avantage de réduire les ségrégations.
- moins de 3,5% de chrome, et de préférence de 0,5 % à 2,5% de chrome, et plus preférentiellement encore, de 1 % à 2,5%. Cet élément permet d'augmenter la trempabilité, mais en trop forte quantité, il a tendance à enrichir les carbures en chrome au détriment d'autres éléments plus favorables tels que le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium et le tantale. Il peut être présent à l'état de traces.
- du molybdène et/ou du tungstène en des teneurs telles que la somme Mo* = Mo + W/2 soit inférieure à 2,2%, et de préférence inférieure à 1 ,8%, et mieux à 1 ,5%. Ces éléments sont fortement trempant. En outre, ils réduisent sensiblement l'adoucissement au revenu, ce qui est souhaitable lorsque les empreintes des moules sont soumises à des traitements de surface telles que la nitruration à des températures d'au moins 500°C. Cependant, en trop grande quantité, ils détériorent l'aptitude à l'usinage. - éventuellement au moins un élément pris parmi le vanadium, le niobium et le tantale en des teneurs telles que la somme V* = V + Nb/2 + Ta/4 soit inférieure à 0,5%, et mieux, inférieure à 0,3%, et mieux encore, inférieure à 0,2%. Ces éléments permettent d'augmenter la résistance à l'adoucissement au revenu, notamment lorsque le revenu est effectué au-dessus de 550°C. Ils permettent également d'augmenter la tenue à l'usure des empreintes des moules. Mais en trop forte quantité, ils détériorent l'usinabilité et la soudabilité.
- de 0,0005 % à 0,015 % de bore. Cet élément augmente sensiblement la trempabilité sans nuire à la conductivité thermique. De plus, son effet disparaissant aux températures d'austénitisation élevées rencontrées en soudage, il est favorable à une bonne aptitude à la réparation par soudure. En dessous de 0,0005%, qui est pratiquement la limite de détection par les moyens d'analyse, il n'a pas d'effet significatif. Au-dessus de 0,015%) il engendre une fragilisation de l'acier sans augmenter la trempabilité.
- éventuellement jusqu'à 0,4% d'aluminium, et éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le titane et le zirconium, la somme Ti + Zr/2 pouvant aller jusqu'à 0,1%). Ces éléments sont des désoxydants forts. De plus ils fixent l'azote toujours présent au moins à titre d'impureté en des teneurs généralement comprises entre 0,004% et 0,025%, mais pouvant être inférieures à 0,004% ou supérieures à 0,025%). Cependant, lorsque l'acier contient du bore, la teneur en azote doit, de préférence, être inférieure à 0,025%. La présence de l'aluminium, du titane ou du zirconium est souhaitable pour que le bore ait sa pleine efficacité.
Pour que l'aluminium, le titane et le zirconium, pris seuls ou en combinaison de deux ou trois de ces éléments, protègent le bore contre l'azote et lui confèrent ainsi sa pleine efficacité, les teneurs en bore, aluminium, titane, zirconium et azote, exprimées en millièmes de % en poids, doivent être telles que :
B > - χ K1 + 0,5 3 avec K1 = Min (I* ; J*) l* = Max (0 ; I) et J* = Max (0 ; J) 1 = Min(N ; N-0,29(Ti + Zr/2-5))
Figure imgf000008_0001
- Le cuivre peut exister à l'état de traces ou d'impureté.
- éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le soufre, le sélénium et le tellure en faible quantité, la somme des teneurs en ces éléments devant rester inférieure à 0,200%. Cependant, lorsque l'acier est destiné à la fabrication de moules dont la surface est polie et grainée chimiquement, la somme des teneurs en ces éléments doit rester inférieure à 0,025%, ou mieux, inférieure à 0,005%.
- éventuellement un ou plusieurs élément pris parmi le plomb et le bismuth, la somme des teneurs en ces éléments étant inférieure à 0,2%. Cependant, lorsque l'acier est destiné à la fabrication de moules dont la surface est polie et grainée chimiquement, il est préférable que l'acier ne contienne pas de tels éléments.
- éventuellement du calcium en une teneur inférieure à 0,100%. Cependant, lorsque l'acier est destiné à la fabrication de moules dont la surface est polie et grainée chimiquement, il est préférable que l'acier ne contienne pas cet élément car son action positive sur l'usinabilité se réalise en conjonction avec le soufre dont l'addition est preférentiellement limitée quand l'acier doit être poli ou graine.
- le reste de la composition est constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration. Il convient de noter que, pour tous les éléments d'addition dont la teneur minimale n'est pas imposée, lorsque ces éléments ne sont pas ajoutés, ils peuvent toujours se trouver au moins sous forme de résiduels ou d'impuretés, en des teneurs très faibles.
A l'intérieur des limites qui viennent d'être définies, la composition de l'acier doit être choisie afin obtenir les caractéristiques d'usage souhaitées. Pour cela, la composition doit être telle que :
- la grandeur Tr = 1 ,8xC + 1 ,1xMn +0,7xNi + 0,6xCr + 1 ,6xMo* + 0,5 représente la trempabilité de l'acier et doit être supérieure à 3,2 et mieux supérieure à 4,5 pour obtenir une trempabilité suffisante. En particulier, Tr doit être supérieur à 4,5 pour permettre d'obtenir une structure martensito-bainitique sans trace de structure perlitique sur des pièces dont l'épaisseur peut dépasser 1000 mm et atteindre 1500mm.
- La grandeur Dr = 54xC0,25 + 24,5x(Mo* + 3xV*)0'30 + 1 ,58xMn + 0,74xNi + 1 ,8xSi + 12,5x(Cr)0'20 doit être comprise entre 77 et 85 afin d'obtenir un durcissement par les carbures suffisant sans toutefois trop détériorer l'usinabilité.
- la grandeur U = 1600xC + 100x(0,25xCr + Mo* + 4,5xV*) qui est un indicateur de l'usinabilité (plus U est faible, plus l'usinabilité est bonne), doit rester inférieur à 850, et de préférence à 750, et mieux encore à 700, voire à 650.
- la grandeur R = 3,8xC + 10xSi + 3,3xMn + 2,4xNi + 1 ,4x(Cr + Mo*) qui varie comme la résistivité thermique, c'est à dire l'inverse de la conductivité thermique, doit, de préférence, rester inférieure à 2,7xTr. Cependant, compte tenu de l'ensemble des exigences de caractéristiques souhaitées pour l'acier, cette grandeur ne peut, en général, pas descendre en dessous de 11 , mais, de préférence elle doit rester inférieure à 20, ou mieux à 15, aussi, l'invention concerne plus particulièrement les aciers pour lesquels R > 11 , tout en étant le plus faible possible.
- compte tenu des différentes contraintes, la composition doit en outre satisfaire, à la relation Mo* + 3xV* > 0,1% ; lorsque U < 750 et que l'analyse correspond au domaine préférentiel : 0,200 % < C < 0,320 %
Si < 0,30 % 0,3 % < Mn < 1 ,8 %
Ni < 2 % 0,5 % < Cr < 2,5 % Mo + W/2 < 1 ,8 %
V + Nb/2 + Ta/4 < 0,30% l'analyse doit être telle que : Mo* + 3xV* > 0,3% ; lorsque U < 650 et que l'analyse correspond au domaine encore plus préférentiel :
0,220 % < C < 0,280 % Si < 0,15 %
0,8 % < Mn < 1 ,6 %
Ni < 2 %
1 % < Cr < 2,5 %
Mo + W/2 < 1 ,5 % V + Nb/2 + Ta/4 < 0,2 % l'analyse doit satisfaire à la relation : Mo* + 3xV* > 0,4%). Pour fabriquer un moule avec cet acier, on élabore l'acier, on le coule et on le lamine ou on le forge à chaud de façon connue et on le découpe pour obtenir des blocs dont l'épaisseur est supérieure à 20 mm et peut dépasser 100mm et atteindre 400mm, voire 600mm, et même 1500 mm. A noter que, pour les épaisseurs les moins importantes, les blocs peuvent être des tôles ou des larges plats, et que pour les plus fortes épaisseurs, ce sont, en général, des blocs forgés.
Les blocs sont austénitisés, éventuellement dans la chaude de forgeage ou de laminage, à une température supérieure à AC3 et de préférence inférieure à 950°C, notamment lorsque l'acier contient du bore, puis ils sont trempés à l'air, l'huile ou l'eau selon l'épaisseur et la trempabilité de l'acier, de façon à obtenir une structure martensitique ou martensito-bainitique dans toute la masse. Enfin, ils sont revenus à une température supérieure à 500°C et, de préférence, au moins égale à 550°C, mais inférieure à AC-i. On obtient ainsi une dureté comprise entre 370HB et 450HB environ. ,
Dans de tels blocs, on usine de façon connue des pièces de moules comportant des empreintes qui sont polies et éventuellement grainées. Eventuellement, ces pièces sont durcies en surface, par exemple par nitruration gazeuse. Après nitruration gazeuse, hormis l'extrême surface des pièces qui est nitrurée, la dureté de l'acier reste comprise entre 370 HB et 450 HB environ.
A titre d'exemple est de comparaison, on considère les analyses rapportées au tableau 1 , dont les grandeurs Tr, Dr, U, R et R/2,7Tr sont reportées au tableau 2.
Les exemples 1 , 3, 5, 6, 9 à 15, 17 et 18 sont conformes à l'invention et les exemples 21 à 26 sont donnés à titre de comparaison. Ces aciers ne contiennent pas d'additions de soufre, sélénium, tellure, plomb, bismuth ou calcium. Ils contiennent cependant un peu de soufre, entre 0,010% et 0,020%.
Pour tous ces aciers, on a déterminé la dureté HB à l'état trempé revenu, c'est à dire pour une structure martensitique ou martensito-bainitique revenue à 550°C dans tous les cas, sauf pour l'exemple 26 dont le revenu a été effectué à 625°C. Tableau 1
Figure imgf000011_0001
Tableau 2
Figure imgf000012_0001
On a également déterminé la dureté HVZAT en zone affectée par la chaleur inage d'une soudure qu'on a comparé à la dureté HVbase du métal de base ecté par la chaleur. Ces résultats sont reportés au tableau 3.
Tableau 3
Figure imgf000013_0001
Au vu de ces deux tableaux, on peut constater, qu'à dureté comparable (HB) et coefficient de dureté Dr comparable, les aciers selon l'invention ont une usinabilité meilleure (coefficient U plus faible) que les aciers donnés à titre de comparaison. En outre, ils ont une aptitude à la réparation par soudure meilleure et surtout une aptitude au polissage après réparation bien meilleure que celle des aciers donnés à titre de comparaison puisque la dureté en ZAT est plus faible et que le rapport HVZAT/HVbase est plus faible. Pour les aciers selon l'invention, la dureté en ZAT HVZAT est toujours inférieure à 670 HV, et inférieure à 600HV lorsque le carbone est inférieur ou égal à 0,3%, et le rapport HVZAT/HVbase est toujours inférieur à 1 ,5, et inférieur à 1 ,3 lorsque le carbone est inférieur à 0,3%. En outre, pour la plupart des exemples, la trempabilité Tr est supérieure à celle des aciers donnés à titre de comparaison et peut dépasser 4,5, voire 5 ou même 6, tout en conservant de bonnes propriétés par ailleurs, ce qui permet de fabriquer des blocs dont l'épaisseur peut atteindre 1500mm et dont les propriétés sont conformes à ce qui est souhaité pour la fabrication de moules ou de pièces pour le travail des métaux.
Ces aciers sont aptes à la fabrication de pièces de moules d'injection de matières plastiques ou de moules pour métaux tels que les alliages légers. Ils sont aptes également à la fabrication de pièces d'outillage pour le travail des métaux.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Bloc en acier destiné à la fabrication de moules pour l'injection de matière plastique ou pour le moulage des métaux ou de pièces pour le travail des métaux, d'épaisseur supérieure à 20 mm, dont la structure est entièrement martensitique ou martensito-bainitique, dont la dureté en tous points est comprise entre 370 HB et 450
HB, et dont la composition chimique de l'acier comprend, en % en poids :
0,12% < C < 0,32% Si < 0,8%
Mn < 2,5%
Ni < 3%
Cr < 3,5%
Mo+W/2 < 2,2% V + Nb/2 + Ta/4 < 0,5%
Al < 0,4% Ti + Zr/2 < 0,1%
- du bore en une teneur comprise entre 0,0005% et 0,015%,
- éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le soufre, le sélénium et le tellure, la somme des teneurs en ces éléments étant inférieure ou égale à 0,2%,
- éventuellement un ou plusieurs éléments pris parmi le plomb et le bismuth, la somme des teneurs en ces éléments étant inférieure ou égale à 0,2%,
- éventuellement du calcium en une teneur inférieure ou égale à 0,1 %, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, le cuivre étant une impureté, la composition chimique satisfaisant en outre les relations suivantes :
3,2 < Tr < 6,5
77 < Dr < 85
U < 850
Mo* + 3xV* > 0,1 % dans lesquelles, pour des teneurs exprimées en%, :
Tr = 1 ,8xC + 1 ,1xMn +0,7xNi + 0,6xCr + 1 ,6xMo* + 0,5
Dr = 54xC0,25 + 24,5x(Mo* + 3xV*)0'30 + 1 ,58xMn + 0,74xNi + 1 ,8xSi + 12,5x(Cr)0'20 U = 1600xC + 100x(0,25xCr + Mo* + 4,5xV*) R = 3,8xC + 10xSi + 3,3xMn + 2,4xNi + 1 ,4x(Cr + Mo*) Mo* = Mo + W/2 V* = V + Nb/2 + Ta/4 les teneurs en bore, aluminium, titane, zirconium et azote, exprimées en millièmes de % en poids, étant telles que :
B > - χ K1 + 0,5 3 avec K1 = Min (I* ; J*)
I* = Max (0 ; I) et J* = Max (0 ; J) l = Min(N ; N-0,29(Ti + Zr/2-5))
Figure imgf000016_0001
2 - Bloc en acier selon la revendication 1 , dont la composition chimique est telle que :
R > 11
3 - Bloc en acier selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que
R < 20
4 - Bloc en acier selon la revendication 1 , la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que :
R < 2,7xTr 5 - Bloc en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en silicium est strictement inférieure à 0,45% en poids.
6 - Bloc en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que U < 750.
7 - Bloc en acier selon la revendication 6, caractérisé en ce que U < 700.
8 - Bloc en acier selon la revendication 7, caractérisé en ce que U < 650.
9 - Bloc en acier selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que sa composition est telle que :
0,200 % < C < 0,320 % Si < 0,30 % 0,3%<Mn<1,8%
Ni < 2 % 0,5%<Cr<2,5% Mo + W/2 < 1 ,8 %
V + Nb/2 + Ta/4 < 0,3 % Mo* + 3xV* > 0,3%
10 - Bloc en acier selon la revendication 8, caractérisé en ce que sa composition est telle que :
0,220 % < C < 0,280 %
Si < 0,15%
0,8%<Mn<1,6%
Ni < 2 % 1 %<Cr<2,5%
Mo + W/2 < 1 ,5 %
V + Nb/2 + Ta/4 < 0,2 % Mo* + 3xV* > 0,4%
11 - Bloc en acier selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que Tr >
4,5.
12 - Pièce de moule en acier usinée dans un bloc conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 11, dont au moins une partie de la surface est durcie par nitruration et dont la dureté en tout point est comprise entre 370HB et 450HB.
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