Brevet FR2473065A1 — publié le 19810710

Bronze à constituants multiples contenant du manganèse et de l'aluminium pour outils de façonnage et de mise en forme initiale-. L'invention concerne un bronze à constituants multiples contenant du manganèse et de l'aluminium pour outils de façonnage et de mise en forme initiale, en particulier des outils à étirer ou emboutir, à plier ou cintrer et'des moules à injection. Ci-dessous est décrit d'abord l'état actuel de la technique dans ce domaine. Lors du façonnage de tôles, les éléments tra- vaillant activement subissent des frottements qui conduisent à une forte usure. Ces phénomènes d'usure peuvent être réduits en utilisant des lubrifiants, en munissant les tôles de revêtements, en interposant des pellicules entre les tôles et les outils et en utilisant des alliages non ferreux pour les éléments actifs des outils. Le façonnage de tôles inoxydables présente encore des difficultés additionnelles du fait qu'en cas d'utilisation d'aciers à outils connus, il se forme des rechargements par soudure à froid sur les éléments actifs des outils de façonnage. Ces recharge- ments par soudure à froid conduisent à la formation de cannelures sur les pièces façonnées et par conséquent à un abaissement continuel de la qualité de celles-ci qui peut entraîner leur mise au rebut. Il a déjà été proposé, en vue de l'élimination du phénomène de rechargement par soudure à froid, d'uti- liser des bronzes d'aluminium présentant les composi- tions suivantes: 8,5 - 11,5 % d'Al - 7,0 % de Fe - 1,0 de Mn - 2,5 % de Si - 6,5 % de Ni restant Cu ou 8,0O % d'Al 13,'0 % de Mn 2,0-% de Fe 2,5 % de Ni restant Cu mais ces compositions ont pour inconvénient d'être très dures et fragiles et par conséquent difficiles à tra- vailler mécaniquement. De plus, *ces alliages nécessi- tent un traitement thermique pour permettre leur usi- nage. Un autre inconvénient réside en ce qu'avec ces alliages, on ne peut réaliser que de faibles quantités fixes. Pour remédier à ces inconvénients, il a égale- ment déjà été proposé d'utiliser un alliage Cu-Ni-Mn contenant: 20 % de Ni et 20 % de Mn, ou % de Ni et 30 % de Mn. Les alliages non ferreux Cu-Ni-Mn 20/20 et Cu-Ni-Mn 30/30 sont relativement aptes à être façonnés mécaniquement mais doivent ensuite également, avant d'être utilisés en tant qu'élément actif d'outil, subir un traitement thermique qui entraîne inévitablement des variations dimensionnelles ou géométriques de ces élé- ments. Avec ces alliages peuvent être fabriquées des pièces façonnées de bonne qualité, mais on n'obtient pas de quantités fixes satisfaisantes. La finition des organes actifs exige un travail important d'enlèvement de copeaux puisque la matière de base ne peut être ren- due disponible qu'à l'état de matériau de pétrissage présenté sous forme de plaques ou de produits semi- finis. Les bronzes d'aluminium connus présentant une te- neur en Al supérieure à 9 % permettent de. fabriquer des pièces façonnées de bonne qualité, mais les quan- tités fixes possibles ne sont pas satisfaisantes. En outre, les éléments actifs des outils ne peuvent être usinés qu'au moyen de machines et d'ou- tils spéciaux en raison de leur résistance mécanique élevée. Il a également déjà été proposé un alliage cuivre-fonte de la composition suivante 9,0 - 13,0 % de Mn 7,1 - 12,0 % del Zn 1,0 - 3,0 % de Fe - 4,0 % de Ni 4,5 - 7,0 % d'Al et au moins 65,0 % de Cu. Cet alliage peut certes être usiné normalement mais ne permet pas, en raison de sa résistance méca- nique réduite et de sa faible dureté, de fabriquer des quantités fixes satisfaisantes. Cet alliage convient en particulier pour la fabrication de pièces subissant des contraintes mécaniques et des influences chimiques comme par exemple des hélices et éléments de construc- tion de navires ainsi que des éléments constitutifs de pompes. Un facteur qui gêne particulièrement l'ob- tention de la forte ténacité nécessaire à cet alliage réside dans le carbone dont la teneur est par consé- quent limitée à 0,03 %. A la différence d'outils à plier ou cintrer et à étirer ou emboutir, des outils de mise en forme spé- ciaux utilisés dans le domaine du façonnage sont fabri- qués principalement à partir de matériaux à base d'alu- minium..Ces matériaux présentent des valeurs d'usure défavorables qui ne permettent que des durées de ser- vice relativement courtes. Par conséquent, des coûts supplémentaires et des capacités de production addi- tionnelles pour la fabrication d'outils de remplace- ment doivent être pris en compte dans le calcul des prix de revient. En ce qui concerne ledit domaine d'application, est également connu le bronze d'aluminium à constituants multiples "Inoxyda"..(voir Technische Rundschau Sulzer 3/1969, page 117 et suivantes). Cet alliage présente une haute résistance mécanique et une grande dureté obtenues par la composition chimique que voici: 0,5 - 2,0 % de Mn - 5,0 % de, Fe - 5,0 % de Ni 9,0 -15,0 % d'Al Restant Cu - Par suite de la part très importante de la phase kappa (X) dans la structure, l'allongement de cet al- liage pour outils ne s'élève qu'à environ 2 %. La ré- sistance mécanique est élevée et la résistance à la cavitation est également importante et meilleure que dans le cas d'aciers inoxydables contenant 18 % de Cr et 8 % de Ni et des aciers contenant 13 % de Cr. Le bronze "inoxyda" possède également de bonnes carac- téristiques de glissement et d'usure. Un inconvénient de cet alliage réside cependant en ce que la forte teneur en A1 conduit au total à une grande dureté ou provoque du moins des endroits durs dans la coulée,' entraînant ainsi des dépenses supplé- mentaires sur le plan du traitement (un recuit d'adou- cissement devant être effectué en supplément). En ou- tre, les caractéristiques de coulée de cet alliage ne sont pas bonnes. En ce qui concerne les bronzes à constituants multiples contenant du manganèse et de l'aluminium, on a invariablement constaté que la ténacité tombe au-dessous de valeurs limites acceptables sur le plan technique par suite d'impuretés nuisibles comme par exemple du carbone, du phosphore et du soufre. Des outils de façonnage doivent présenter une résistance mécanique élevée ainsi qu'une certaine té- nacité pour permettre la production de pièces en grande quantité. L'étain qui est un élément qu'il -2473065 convient d'économiser et qui est relativement coûteux permet, en étant utilisé à des doses allant jusqu'à 1 %, d'accroître la résistance mécanique d'un alliage de ce genre sans réduire sensiblement l'allongement. Toutefois, son prix élevé et sa disponibilité réduite interdisent d'utiliser cet élément d'une manière géné- ralisée. La présente invention a pour objet de remédier aux défauts et inconvénients mentionnés des alliages connus par l'utilisation d'un matériau plus approprié, c'est-à-dire un matériau dont avant tout la ténacité, les caractéristiques de coulée et la facilité de fa- çonnage, comme par exemple l'aptitude à l'usinage, se trouvent améliorées sans que les outils aient besoin d'être soumis à titre supplémentaire à un recuit d'a- doucissement. Il s'agit également d'éviter un traite- ment thermique ultérieur de trempe et revenu des outils complètement usinés, afin d'exclure le risque de va- riations dimensionnelles ou géométriques. De plus, l'al- liage doit être constitué de façon à permettre de fa- briquer des pièces en quantités accrues sans pour au- tant abaisser la qualité d-s produits façonnés ou mou- lés par injection. Dans ce but, il convient également d'améliorer les caractéristiques d'usure en conférant à l'alliage une résistance mécanique élevée, une forte dureté et une ténacité relativement importante. En conséquence, la présente invention propose un alliage constitué par du bronze contenant du manganèse et de l'aluminium parmi d'autres éléments d'alliage et destiné à des moyens de fabrication dans le domaine du façonnage et de la mise en forme initiale, en particu- lier des outils à étirer ou emboutir, à plier ou cin- trer et des moules à injection, -lequel alliage évite notamment les inconvénients suivants: - la nécessité de procéder à un travail important d'en- lèvement de copeaux pour obtenir les outils à partir de produits semifinis; - les difficultés d'usinage rencontrées en cas d'utili- sation d'alliages présentant une teneur en AI supérieu- re à 9 % ou une forte"teneur en Ni et Mn; - le fait de ne permettre de fabriquer que de faibles quantités fixes en raison d'une'dureté et d'une résis- tance mécanique trop réduites dans le cas d'alliages dont la teneur en Ai est inférieure à 7 % - des rechargements par soudure à froid sur les élé- o10 ments actifs lors de la fabrication; - la formation de cannelures ou rainures sur la matière façonnée;. - la nécessité de soumettré-e les éléments actifs à un traitement thermique; - de trop faibles valeurs d'allongement. ( 2 %); - des caractéristiques de fusion et de coulée médio- cres; - une part trop importante de la phase X dans la struc- ture; et - une teneur en Cu trop importante de la composition. Il s'agit d'obtenir ainsi notamment: - une plus grande facilité de coulée; - de bonnes caractéristiques de glissement; - une haute résistance à l'usure; - une bonne conductibilité thermique; et - des quantités fixes élevées. La solution apportée à ce problème suivant la présente invention consiste en ce que l'alliage pré- sente la composition que voici: 9,0 - 11,0 % de Mn ,5 - 10,0 % de Zn 2,0 4,0 % de Fe 1,5'- 3,0 % de Ni 7,5 - 9,0 %':d'Al 0,03- 0,20 % de C restant Cu En ce qui concerne la composition d'alliage pro- posée, il est à noter que le carbone s'insère dans le réseau cristallin de l'alliage pour former un cristal mixte d'insertion et accroit ainsi la distorsion du réseau sans pour autant, grâce au fait que sa quantité est limitée de manière. bien.déterminée, réduire consi- dérablement la ténacité. Il favorise la formation d'une structure martensitique et conduit à un accrois- sement de la résistance à la rupture et à l'usure. La teneur accrue en C a en outre pour effet de permettre d'utiliser une matière première moins pure et par con- séquent moins coûteuse. La solution ainsi apportée au problème posé est encore précisée ci-dessous à l'aide de plusieurs va- riantes de l'alliage suivant l'invention.. Elément Variantes d'alliage I II III notamment pour notamment pour notamment moules à injec- outils à plier pour outils tion (%) ou-cintrer (%) d'emboutis- -_- - sage (%) Mn 11,0 9,5 10,5 Zn 10,0 8,2 9,0 Fe 3,5 2,2 3,0 Ni 2,0 1,6 2,0 Al 7,5 7,7 8,5 C 0,08 0,2 0,1 Cu restant restant restant Propriétés mécaniques (mesurées sur échantillons coulés en sable) Résistance à la rupture (MPa) I notamment pour moules à in- jection 700 à 720 Variantes II notamment pour outils à plier ou cintrer 740 à 770 III notamment pour outils d'emboutis- sace 780 à 850 Allongement à la rupture (%) à 8 6 à 4 8 à 3 Dureté Brinell Conductibilité thermique à 220 0,2 cal/degré. s.m 210 à 240 0, 2 cal/de- gré. s.m à 300 0,2 cal/de- gré. s.m L'uitilisation du bronze à constituants multiples contenant du manganèse et de l'aluminium proposé, pour des outils à étirer ou emboutir, à plier ou cintrer et de moules à injection servant à des opérations de fa- çonnage et de mise en forme initiale offre les avanta- ges suivants: - fabrication d'ébauches d'outils par -oulée au lieu de l'obtention laborieuse des éléments de mise en- forme à partir de produits semi-finis par enlèvement de copeaux; - les ébauches peuvent être façonnées avec des outils et machines ordinaires; le traitement thermique jusqu'à présent nécessaire aux éléments aetifs est supprimé, permettant ainsi d'éviter des variations dimensionnelles ou géométri- ques, dues à un tel traitement subséquent; - possibilité de retoucher les éléments actifs pour éliminer de légères traces d'usure; - une récupération de métaux avec peu de pertes peut s'effectuer en permettant aux différents métaux d'éléments actifs mis hors d'usage et des copeaux formés lors de l'usinage d'être à nouveau mis en fusion à l'état pur; une teneur plus réduite en cuivre de la composition, - possibilité d'utiliser une matière de départ non purifiée et par conséquent moins coûteuse; - meilleures propriétés de fusion et de coulée de la matière; teneur réduite en phase X de la structure; - forte ténacité (plus grand allongement à la rupture du matériau et donc une plus grande résistance à l'usure permettant des quantités fixes plus élevées): - de bonnes propriétés de glissement; et - une bonne conductibilité thermique. Des essais au cours desquels l'alliage suivant l'invention a été utilisé pour des outils ont montré que ceux-ci permettaient en cas de façonnage de pièces en acier inoxydable pour machines à laver d'obtenir des quantités fixes de plus de 300.000 pièces. REVENDICATION Bronze à constituants multiples contenaht du man- ganèse'et de l'aluminium pour des moyens de'fabrication dans le'domaine du façonnage et de la mise en forme initiale, en particulier des outils à étirer ou embou- tir, à plier ou cintrer et des moules à injection, caractérisé en ce qu'-il est cohstitué par un alliage présentant la composition suivante: 9,0 - 11,0 % en poids de Mn ' 7,5 - 10,0 % en poids de Zn 2,0 - 4,0 % en poids de Fe 1,5 - 3,0 % en poids.de Ni 7,5 - 9,0 % en poids d'Al 0,03- 0,2 % en poids de C restant Cu.