Brevet FR2745587A1 — publié le 19970905

ACIER UTILISABLE NOTAMMENT POUR LA FABRICATION DE MOULES POUR INJECTION DE MATIERE PLASTIQUE La présente invention concerne un acier à durcissement structural utilisable, notamment, pour la fabrication de moules pour injection de matière plastique. Les moules pour injection de matières plastiques sont constitués d'assemblages de pièces usinées dans des blocs d'acier, de façon à former une empreinte ayant la forme des objets à fabriquer par moulage. Les objets sont moulés en série, et les moulages successifs engendrent une usure de la surface de l'empreinte. Après la fabrication d'un certain nombre d'objets, les moules sont hors d'usage et doivent être remplacés ou réparés. La réparation, lorsqu'elle est possible, consiste en un rechargement par soudure suivi d'un usinage et d'un polissage ou d'un grenage chimique de la surface de l'empreinte. Pour que la réparation par soudure soit possible, il faut, notamment, que le métal apporté par soudure et que les zones affectées par la chaleur de soudage dans le métal de base aient des propriétés satisfaisantes. L'aptitude à la réparation par soudage est obtenue, notamment, en utilisant un acier à durcissement structural traités par trempe et revenu. Le durcissement structural est obtenu en ajoutant à l'acier de 2% à 5% de nickel et au moins un élément pris parmi l'aluminium et le cuivre, en des teneurs comprises entre 0,5% et 3%. La présence combinée de nickel et de cuivre ou d'aluminium permet d'obtenir par trempe et revenu une structure bainitique ou martensitique, dont la résistance à la traction est de l'ordre de 1400 MPa et la dureté d'environ 400 HB. Le durcissement résultant de la précipitation au cours du revenu de composés intermétalliques, la teneur en carbone peut être limitée. Cette teneur en carbone limitée permet de réparer les pièces par soudure sans que la dureté des zones affectées par la chaleur dépasse sensiblement 400 HB. Outre le nickel, le cuivre et l'aluminium, la composition chimique de l'acier comprend, en poids, moins de 0,25% de carbone, moins de 1% de silicium, de 0,9% à 2% de manganèse, de 2% à 5% de nickel, de 0% à 18% de chrome, de 0,05% à 1% de molybdène, de 0% à 0,2% de soufre, éventuellement du titane, du niobium ou du vanadium en des teneurs inférieures à 0,1%, éventuellement du bore en des teneurs inférieures à 0,005%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. Pour certaines applications, les moules ont besoin de résister à la corrosion, et la teneur en chrome est choisie supérieure à 8%. Pour d'autres applications, la résistance à la corrosion ne présente pas d'intérêt particulier, et la teneur en chrome reste inférieure à 2%. 2 2745587 L'utilisation de moules ainsi fabriqués, qu'ils aient ou non besoin de résister à la corrosion, présente l'inconvénient de limiter la productivité des installations de moulage par injection de matières plastiques. En effet, une opération de moulage comporte plusieurs phases successives, dont une phase de solidification de la matière plastique par refroidissement qui est relativement longue. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un acier, utilisable pour la fabrication de moules pour injection de matière plastique, ayant une résistance à la traction Rm de l'ordre de 1400 MPa, o10 une dureté supérieure à 350 HB, et de préférence supérieure à 380 HB, une bonne soudabilité et permettant d'augmenter la productivité des installations de moulage par injection en raccourcissant les durées de refroidissement après injection. A cet effet, I'invention a pour objet un acier, utilisable notamment pour la i5 fabrication de moules pour injection de matières plastiques, dont la composition chimique comprend, en poids: 0,03% 0% 0% - au moins un élément pris parmi AI et Cu en des teneurs comprises chacune entre 0,5% et 3%, - éventuellement de 0,0005% à 0,015% de bore, éventuellement au moins un élément pris parmi V, Nb, Zr, Ta et Ti, en des teneurs comprises, chacune, entre 0% et 0,3%, - éventuellement au moins un élément pris parmi Pb, Se, Te et Bi, en des teneurs comprises chacune entre 0% et 0,3%, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration la composition chimique satisfaisant, en outre, les relations: 3,8 x C + 9,8 x Si + 3,3 x Mn + 2,4 x Ni +c( x Cr + 1,4 x (Mo + W/2) 8%, et 3,8 x C + 1,07 x Mn + 0,7 x Ni + 0, 57 x Cr +1,58 x (Mo + W/2) + kB > 3,1 kB = 0,8 lorsque l'acier contient entre 0,0005 % et 0,015 % de bore, et kB = O si non. 3 2745587 La composition de l'acier peut être avantageusement choisie de telle façon que: 3,8 x C + 3,3 x Mn + 2,4 x Ni +a x Cr + 1,4 x (Mo + W/2) soit inférieure ou égale à 0,1 %. Lorsque l'acier est destiné à fabriquer des moules devant résister à la corrosion, la teneur en chrome doit, de préférence, être supérieure ou égale à 8%. Lorsque la résistance à la corrosion n'est pas nécessaire, la teneur en chrome doit, de préférence, être inférieure ou égale à 5%, et, mieux encore, inférieure ou égale à 2%, et il est préférable que l'acier contienne du bore. L'invention concerne également un bloc en acier selon l'invention de dimension caractéristique d supérieure ou égale à 20 mm, qui a, en tous point, une structure soit martensitique, soit bainitique, soit martensito-bainitique, revenue, de dureté supérieure à 350 HB. De préférence, la composition chimique de l'acier constituant le bloc est telle que: 3,8 x C + 1,07 x Mn + 0,7 x Ni + 0,57 x Cr +1,58 x (Mo + W/2) + kB > f (d) kB = 0,8 lorsque l'acier contient entre 0,0005 % et 0,015 % de bore, et kB = 0 si non, avec: f (d) = 2,05 + 1,04 x log(d) et de préférence: f (d) = - 0,8 + 1,9 x log(d) dans ce cas, le bloc d'acier doit être trempé à l'eau. L'expression "log(d)" représente le logarithme décimal de la dimension caractéristique d exprimée en mm. L'invention va maintenant être décrite plus en détail, mais de façon non limitative, notamment à l'aide des exemples qui suivent. L'acier selon l'invention est un acier à durcissement structural, dont la composition chimique comprend, en poids: - plus de 0,03% de carbone pour assurer une résistance suffisante à l'adoucissement au revenu, mais, moins de 0,25% pour obtenir une bonne soudabilité caractérisée par une dureté des ZAT de soudage ne dépassant pas 430 HB, - de 0% à 0,2%, et de préférence moins de 0,1%, de silicium; cet élément habituellement nécessaire à la désoxydation de l'acier au cours de l'élaboration 4 2745587 ne doit pas dépasser 0,2% afin d'éviter une réduction excessive de la conductibilité thermique de l'acier, - de 0% à 0,9% de manganèse pour, d'une part, fixer le soufre, et d'autre part, conférer à l'acier une trempabilité suffisante; la teneur est limitée à 0,9%, et de préférence à 0,7%, et, mieux encore, à 0,5%, pour contribuer à obtenir une conductibilité thermique la plus grande possible, - de 1,5% à 5% de nickel pour, lors du revenu, former avec l'aluminium ou le cuivre des précipitations durcissantes; compte tenu du niveau de dureté visé après revenu, une addition d'au moins 1,5% de nickel est souhaitable, et il n'est pas nécessaire de dépasser 5%, car, au delà, I'effet d'une addition supplémentaire de nickel n'est pas significatif et cet élément est très coûteux, - de 0% à 18% de chrome, et, de préférence, de 8% à 18% lorsque une résistance à la corrosion est nécessaire lorsque la résistance à la corrosion n'est pas utile, la teneur en chrome est, de préférence, inférieure à 5%, et, mieux encore, inférieure à 2%, - de 0, 05% à 1% de molybdène, notamment pour renforcer la résistance à l'adoucissement au revenu et soutenir, ainsi, le durcissement obtenu par les précipités intermétalliques de nickel, cuivre et aluminium; les teneurs maximales sont fixées pour ne pas nuire à la conductibilité thermique et ne pas trop augmenter le coût de l'acier le molybdène peut être remplacé totalement ou partiellement par du tungstène à raison de 2% de tungstène pour 1% de molybdène, de ce fait, pour ces deux éléments, I'analyse est définie par la valeur Mo + W/2, - éventuellement de 0,0005% à 0,015% de bore pour augmenter la trempabilité sans détériorer la conductibilité thermique de l'acier; le chrome étant un élément qui augmente sensiblement la trempabilité de l'acier, I'addition de bore est particulièrement souhaitable lorsque la teneur en chrome est inférieure ou égale à 2%, de 0% à 0,3% de soufre; cet élément améliore l'usinabilité, mais en trop forte teneur il nuit à la qualité des surfaces actives des moules, lesquelles surfaces sont, généralement, soit polies, soit grenées, - au moins un élément pris parmi l'aluminium et le cuivre en des teneurs comprises entre 0,5% et 3% chacune, pour obtenir un effet de durcissement structural par précipitation de composés intermétalliques au cours du revenu, ce qui permet d'obtenir à la fois une grande dureté et une bonne soudabilité, - éventuellement, au moins un élément pris parmi le vanadium, le niobium, le zirconium, le tantale et le titane, en des teneurs comprises chacune entre 0% et 0,3%, et de préférence supérieure à 0,01% chacune, en particulier pour rendre 2745587 plus fiable l'effet du bore, notamment lorsque l'acier est trempé dans la chaude de forgeage ou de laminage, - éventuellement au moins un élément pris parmi le plomb, le sélénium, le tellure et le bismuth, en des teneurs comprises chacune entre 0,1% et 0,3%, afin d'améliorer l'usinabilité sans trop détériorer l'aptitude au polissage ou au grenage chimique, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration. La composition chimique de l'acier doit, en outre, satisfaire deux conditions relatives d'une part à la trempabilité et d'autre part à la conductibilité 1o thermique. Pour avoir des caractéristiques de résistance mécanique et de dureté satisfaisante: résistance à la traction d'environ 1400 MPa et dureté de l'ordre de 400 HB (c'est à dire au moins supérieure à 350 HB, et de préférence supérieure à 380 HB), les pièces constituant les moules d'injection de matière plastique doivent être usinées dans des blocs d'abord trempés pour leur conférer une structure soit entièrement martensitique, soit entièrement bainitique, soit mixte martensitobainitique, mais en tout état de cause exempte de ferrite et de perlite, puis revenus pour les durcir par précipitation de composés intermétalliques. La trempe peut être faite, par exemple, par refroidissement à l'eau, à l'huile ou à l'air après austénitisation, de préférence, entre 850 C et 1050 C, ou directement dans la chaude de forge ou de laminage Le revenu s'effectue, en général, entre 500 C et 550 C. Les blocs sont, par exemple, des tôles laminées ou des larges plats forgés, dont l'épaisseur est supérieure à 20 mm et peut aller jusqu'à 800 mm au moins. Dans ces conditions, pour que la structure soit entièrement trempée, y compris à coeur des blocs, la trempabilité de l'acier doit être suffisante Pour cela, la composition chimique de l'acier doit satisfaire la relation suivante: Tr = 3,8 x C + 1,07 x Mn + 0,7 x Ni + 0,57 x Cr +1,58 x (Mo + W/2)+ kB > 3,1 kB = 0,8 lorsque l'acier contient entre 0,0005 % et 0,015 % de bore, et kB=0 si non. Plus précisément, chaque bloc a une dimension caractéristique d qui détermine la vitesse de refroidissement à coeur pour un mode de refroidissement déterminé. Pour obtenir la structure souhaitée, il faut que la trempabilité soit adaptée à la dimension caractéristique d. Pour cela, la composition chimique de l'acier doit être telle que: 3,8 x C + 1,07 x Mn + 0,7 x Ni + 0,57 x Cr +1,58 x (Mo + W/2) + kB > f(d) avec: f (d) = 2,05 + 1,04 x log(d) 6 2745587 lorsque le bloc est trempé par refroidissement à l'air, et: f (d) = - 0, 8 + 1,9 x log(d) lorsque le bloc d'acier est trempé à l'eau, ce qui est préférable. L'expression "log(d)" représente le logarithme décimal de la dimension caractéristique d exprimée en mm. Cette dimension caractéristique est, par exemple, pour une tôle, l'épaisseur, pour une barre ronde, le diamètre. Par ailleurs, les inventeurs ont constaté qu'il était possible de minimiser la conductibilité thermique de l'acier en choisissant convenablement sa 1o composition chimique. Ceci a l'avantage de permettre d'augmenter la productivité des opération d'injection de matière plastique en raccourcissant la phase de refroidissement qui suit la phase d'injection. Pour cela, la composition chimique de l'acier doit être telle que: Kth=3,8 x C + 9,8 x Si +3,3 x Mn + 2,4 x Ni +o x Cr+ 1,4 x (Mo + W/2) soit le plus petit possible, et, au moins, que Kth soit inférieur à 13, et de préférence à 12. De préférence, la composition doit être telle que: 3,8 x C + 3,3 x Mn + 2,4 x Ni +a x Cr + 1,4 x (Mo + W/2) conductivité thermique. Kth est un indice sans dimension variant dans le même sens que la résistivité thermique de l'acier, c'est à dire inversement proportionnel à la conductivité thermique. A titre d'exemple, on a fabriqué des pièces de moule pour injection de matière plastique, par usinage de tôles d'épaisseur de 80 à 500 mm. Les tôles repérées A à F étaient conforme à l'invention, et, à titre de comparaison, les tôles repérées G à J étaient selon l'art antérieur. Les compositions chimiques, en millièmes de % en poids sont indiquées au tableau 1. Toutes les tôles ont été laminées à 1100 C avant d'être traitées thermiquement pour obtenir des duretés toutes comprises entre 385 HB et 420 HB. Les épaisseurs d (en mm), les traitements thermiques, les indices de résistivité thermique Kth, les conductibilités thermiques Cth (en W/m/ K) et les trempabilités Tr (K et Tr sont des indices sans dimension) indiqués au tableau 2, 7 2745587 montrent que les aciers selon l'invention ont des conductivités thermiques de % (E comparé à H) à 60% (F comparé à J) plus fortes que celles des aciers selon l'art antérieur. Ces conductivités thermiques plus fortes permettent d'augmenter significativement la productivité des moules en réduisant la durée des phases de refroidissement au cours des cycles de moulage. Tableau 1 C Si Mn Ni Cr Mo AI Cu Nb V B A 115 45 500 3100 150 310 1100 1050 3 B 105 57 750 3040 160 295 1140 1050 30 3 C 115 85 710 3110 140 305 1110 1600 3 D 130 50 300 2750 130 285 1090 1070 3 E 120 130 850 3020 150 305 1110 1075 55 3 F 100 30 200 2500 100 250 1120 1080 3 G 130 350 1150 3050 200 290 1100 1060 H 125 65 1520 3100 190 320 1130 1020 I 145 85 1090 3200 210 305 1120 1050 3 J 140 490 1600 3100 850 340 1050 1450 Tableau 2 d austénitisationtrempe revenu Kth Tr Cth A 80 950 C air 525 C-2h 10,6 4,5 43 B 130 chaude de laminageair 525 C-2h 11,4 4,7 40 C 500 950 C eau 525 C-3h 11,7 4,7 40 D 200 950 C eau 525 C-3h 9,2 4,1 45 E 150 9500C air 525 C-2h 12,4 4,8 39 F 100 950 C eau 525 C-2h 7,8 3,3 47 G 80 950 C air 525 C-2h 15,7 4,4 34 H 400 950 C eau 525 C-3h 14,3 4,9 36 I 130 950 C air 525 C-2h 13,4 5,3 35 J 150 950 C air 525 0C-2h 19,7 5,4 29 On a également fabriqué des moules pour injection de matières plastiques, devant résister à la corrosion, avec l'acier M selon l'invention, et N io conforme à l'art antérieur. Ces aciers ont été laminés sous forme de tôles d'épaisseur 150 mm, puis traités thermiquement par trempe air et revenu à 550 C pendant 2 heures. Les analyses chimiques, en millièmes de % en poids, sont indiquées au tableau 3, et les caractéristiques obtenues, au tableau 4. 8 2745587 Tableau 3 C Si Mn Ni Cr Mo AI Cu Nb V B M 40 50 300 3500 16000 600 2200 1550- N 50 450 1100 4100 16000 550 2100 1450 Tableau 4 HB Kth Tr Cth M 415 10,8 13,0 22 N 430 18,8 14,2 18 On constate un écart de conductibilité thermique de 20% en faveur de l'acier selon l'invention ce qui conduit aux mêmes avantages que ceux qui ont été indiqués précédemment. L'acier selon l'invention est, en général, fabriqué sous forme de tôles laminées ou sous forme de barres ou de larges plats forgés mais il peut, également, être fabriqué sous toute autre forme, et, en particulier, sous forme de fil. io Pour que parties réparées par soudure aient les mêmes propriétés que la masse du moule, aussi bien la conductibilité thermique que les propriétés requises pour la surface de l'empreinte, la réparation par soudure doit, de préférence, être faite avec des fils de soudage de composition voisine de la composition de la masse du moule. Aussi, I'acier selon l'invention est également fabriqué sous forme de fil de soudage. 9 2745587 REVENDICATIONS 1 - Acier, utilisable notamment pour la fabrication de moules pour injection de matières plastiques, caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en poids: 0,03% 0% 0% - au moins un élément pris parmi AI et Cu en des teneurs comprises chacune entre 0,5% et 3%, - éventuellement 0,0005% 8%, et: 3,8 x C + 1,07 x Mn + 0,7 x Ni + 0,57 x Cr +1,58 x (Mo + W/2) + kB > 3,1 avec kB = 0,8 si la teneur en bore est comprise entre 0,0005% et 0,015%, et kB = 0 si non. 2 - Acier selon la revendication 1 caractérisé en ce que: 3,8 x C + 9,8 x Si +3,3 x Mn +2,4 x Ni + x Cr+ 1,4 x (Mo + W/2) 2745587 Mn 6 - Acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que sa composition chimique est telle que: Si 7 - Acier selon l'une quelconque des revendications là 6 caractérisé en ce que: Cr 0,0005% 9 - Acier selon l'une quelconque des revendications là 6 caractérisé en ce que: Cr > 8% - Bloc en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que il a une dimension caractéristique d supérieure ou égale à mm, et en ce que, en tous points, il a une structure martensitique, bainitique ou martensito-bainitique revenue de dureté supérieure à 350 HB. 11 - Bloc selon la revendication 10 caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier est telle que: 3,8 x C + 1,07 x Mn + 0,7 x Ni +0, 57 x Cr +1,58 x (Mo +W/2) + kB >2,05 + 1,04 x log(d) 12 - Bloc selon la revendication 10 caractérisé en ce que la composition chimique de l'acier est telle que: 3,8x C + 1,07 x Mn + 0,7x Ni +0,57 x Cr+1,58 x (Mo +W/2) + kB > -0,8 + 1,9x log(d) 13 -Fil de soudage en acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.