Créé le : 03/08/2009
Introduction
Cette conférence internationale est la 6ème édition d'un cycle triennal initié en 1987 aux Etats-Unis, l'avant-dernière ayant eu lieu à Leoben, Autriche, en 1999. Elle concerne toutes les utilisations des aciers à outils, tant à froid qu'à chaud et donc les métiers de la forge, du découpage emboutissage et des outillages de presses, des moules pour la plasturgie et la fonderie. Son objectif est de faire le point de l'avancement des recherches dans le domaine et de rendre compte des nouveaux produits des sidérurgistes, des métallurgistes et des acteurs en traitements de surfaces des outillages.
Parmi les 98 communications présentées à ce congrès une très grande majorité était du domaine de la recherche et émanait de laboratoires universitaires ou d'instituts de recherche. Un certain nombre ont été présentées par des fournisseurs d'aciers avec une portée commerciale et quelques unes ont fait état de retours d'expérience d'utilisations industrielles de nuances d'aciers.
Les communications concernant le travail des métaux en feuilles, bien que minoritaires dans l'ensemble du congrès étaient en augmentation par rapport à l'édition précédente de 1999.
Les tendances relevées sont celles qui conduisent à l'allégement des véhicules donc à l'emploi des tôles de résistance de plus plus élevée donc sollicitant de plus en plus fortement les outillages.
On voit apparaître des aciers pour travail à froid aux caractéristiques améliorées ainsi que des revêtements d'outils susceptibles de réduire la lubrification. Toutefois la suppression de toute lubrification n'a pas été évoquée et l'évolution incrémentale des possibilités des revêtements n'amène pas d'évolution majeure. En revanche des améliorations notables de la durée de vie des outils semblent possibles en combinant de manière appropriée la conception des outillages, le choix des matériaux pour outils et le choix des presses. Pour l'élaboration des aciers, la technologie du spray forming permet d'obtenir des nuances à très haute résistance à l'usure qui peuvent être plus performantes ques les aciers obtenus par métallurgie des poudres.
L'industrie automobile exige des états de surface de plus en plus stricts notamment en vue de la mise en peinture des caisses en blanc. Les conditions sévères de l'emboutissage font du rayon des matrices la zone la plus affectée par l'usure. L' Ecole des Mines d'Albi-Carmaux a étudié expérimentalement avec l'aide du CETIM le mode d'usure du rayon d'une matrice d'emboutissage et montré la localisation privilégiée de l'usure adhésive de part et d'autre du rayon avec une usure maximum lorsque l'angle de déformation de la tôle est d'environ 70°.
Les outillages utilisés pour le travail des tôles minces à très haute résistance (1400 MPa) sont très fortement sollicités et, jusqu'à présent, très peu de travaux ont été réalisés sur de tels outils de poinçonnage. Des essais ont donc été réalisés en collaboration entre Uddeholm Tooling AB et le sidérurgiste SSAB Tunnplat AB sur des aciers Docol à 800 et 1400 MPa.
Les paramètres suivants ont été étudiés :
jeux de coupe
hauteur de bavure
répartition de l'usure sur le poinçon
type d'usure
Influence du traitement de surface de l'outil : CVD (TiC) et PVD (TiCN, TiAlN et TiN)
Les essais ont montré qu'il était possible de poinçonner des tôles à 1400 MPa mais que les aciers à outil utilisés devaient être particulièrement performants. D'autre part la conception de l'outillage revêt une importance particulière en raison des contraintes élevées qui peuvent entraîner la rupture de la tête du poinçon. Un inconvénient souligné par les essais est le niveau de bruit élevé généré cette opération nécessitant l'isolation de la presse. En revanche le poinçonnage de ces tôles à haute résistance entraîne moins d'usure adhésive que le poinçonnage de tôles en acier au carbone trempées.
Les revêtements d'outillages n'ont pas amélioré les performances en poinçonnage pour les tôles à 1400 MPa mais réduisent l'usure abrasive et la microfissuration de la surface de l'outil avec le matériau à 800 MPa.
La métallurgie des poudres permet d'obtenir des caratéristiques microstructurales sur mesure et donc d'élaborer des aciers avec de l'azote comme élément d'alliage sous forme de particules pulvérulentes nitrurées. Des essais de frottement ont montré un effet positif de l'azote sur l'usure adhésive et d'autre part qu'une teneur élevée et une répartition fine de carbonitrures dans la structure de l'acier augmentent sa résistance à l'usure adhésive au niveau de celle d'un acier revêtu.
La fabrication de deux pièces constituant l'enrouleur de ceinture de sécurité pour l'équipementier AUTOLIV ASIA PACIFIC a été réalisée sur un outil progressif en acier Böhler K 190 Microclean. Cet acier à outil permet une découpe sans bavure des couronnes dentées de l'enrouleur à la cadence de 45 cps/min. Bien que la technologie utilisée ne soit pas celle du découpage fin (à cause de la longueur des guides) l'état des bords découpés, atteignant 70% de cisaillement sur les dents aigües, est obtenu par un procédé d'arasage multiple avec un jeu de 2%. Pour pallier malgré tout à des ruptures d'outillages intervenant en phase de démarrage, la presse initiale à vilebrequin a été remplacée par une presse à genouillère. Celle-ci permet de réduire la déflection de l'outil lors de l'application de l'effort maximum (poinçonnage des dentures) et assure un temps de maintien de 30 s au point mort bas de la presse.
Augmentation de la résistance à l'usure
Les nouvelles exigences pour les outillages de presses pour le travail des tôles à haute résistance font que l'élaboration des aciers à outils par la métallurgie des poudres est la seule alternative.
Revêtements standards
Les revêtements d'outillages considérés comme standards sont relativement nombreux : CVD-TiC , CVD-TiC/TiN multicouche, PVD-TiN, PVD-CrN.
Revêtements DLC
Le revêtement DLC WC/C est particulièrement intéressant pour la mise en forme des tôles d'aluminium. il est caractérisé par une bonne résistance à l'usure adhésive et réduit l'adhésion de l'aluminium sur l'outil grâce à un coefficient de frottement très faible.
Revêtement USB
Le nouveau revêtement CVD USB de Dörrenberg est une variante des dépôts CVD connus. Il réduit les contraintes internes sans diminuer la dureté superficielle par rapport à un revêtement classique CVD-TiC. Grâce à une couche primaire intermédiaire TiN dont le coefficent de dilatation thermique est plus proche de celui du métal support que de celui de la couche TiC, le revêtement CVD-USB permet un meilleur gradient de contraintes et de dureté d'où une résistance supérieure a priori à l'écaillage. Cependant aucun résultat en terme de durée de vie des outils n'a été présenté et l'épaisseur déposée relativement forte implique une durée de dépôt longue, donc un coût de revêtement élevé.
Revêtement CVD-USB:
Dureté : 2400-3500 HV
Epaisseur : 6-9 µm
Structure : multicouche
Application : formage des matériaux à haute résistance
Les dépôts chimiques en phase vapeur assistés par plasma sont bien adaptés au revêtement de matrices de grandes dimensions. Les résultats obtenus avec des revêtements PA-CVD PLASTIT (TIN, Ti(C,N), Ti(B,N), (Ti,Al)N) ont été étudiés dans des applications industrielles. Pour les outillages d'emboutissage, la durée de vie a été multipliée par un facteur compris entre 13 et 18.
Les principaux modes de dégradations rencontrés en découpage emboutissage sont l'usure adhésive, l'usure abrasive et la fatigue mécanique. Pour répondre à ces sollicitations, l'interface entre le revêtement et le substrat doit assurer un support mécanique optimal. Une nitruration par plasma préalable au dépôt est donc nécessaire.
Un dépôt de PA-CVD (Ti(C,N), caractérisé par un coefficient de frottement très faible (de l'ordre de 0,16), permet d'augmenter la périodicité de la lubrification de 20 à 50 courses et de produire 26.000 pièces au lieu de 2.000 entre deux nettoyages.
Les dépôts de PA-CVD à base de TiN constituent une alternative aux revêtements DLC et sont des candidats intéressants pour le travail des métaux en feuilles avec lubrification réduite.
Contrairement aux outils de coupe les outils de mise en forme sont encore rarement revêtus en raison de leurs grandes dimensions et de leur forme complexe. Bien que les céramiques dures soient déposées couramment avec une excellente adhésion, le risque d'un défaut persiste et risque de causer la perte d'un outillage coûteux. D'autre part le coefficient de frottement relativement élevé des dépôts céramiques disponibles sur le marché est un facteur d'usure adhésive. Cependant ces dernières années des progrès significatifs ont été réalisés dans de nouveaux revêtements à base de carbone avec d'excellentes caractéristiques de frottement.
Le comportement en frottement de revêtements TiN, TiB2, TaC et DLC déposés sur un acier pour travail à froid a été comparé à celui de différents aciers non revêtus.
L'acier Vanadis 4 montre après nitruration plasma d'excellentes propriétés d'anti-adhérence et de résistance à l'usure. D'autre part dans la mesure où une bonne adhésion entre le substrat et le revêtement est obtenue, le revêtement DLC lubrifié avec de l'huile PAO peut être aussi performant que l'acier non revêtu lubrifié avec une huile entière.
Le dispositif d'essai d'usure mulitimode ST-3001 mis au point par Teer Coatings Ltd a été utilisé pour une évaluation initiale des revêtements et des matériaux de substrat destinés aux opérations de formage à froid, que ce soit en mode lubrifié ou non. Cette technique permet de simuler la tendance à l'adhésion de matériaux relativement mous tels que l'aluminium, le cuivre, l'inox, le plomb et le zinc. Dans ce dispositif une bille revêtue ou non représente l'outil à tester. L'essai permet de déterminer la cause d'une éventuelle défaillance et économise des essais en vraie grandeur longs et coûteux.
[1] Mechanical study of a sheet metal forming dies wear, Attaf D. et al., CROMeP, Ecole des Mines D'Albi-Carmaux, pp. 181-189
[2] Steel for press tools: blanking of ultra high steel sheet, Högman B., R&D Uddeholm Tooling AB, pp. 203-216
[3] Influence of nitrogen alloying on galling properties of PM tool steels, Heikkilä et al., SIMR, pp. 217-226
[4] Meet the job specification from the customer, Wong A. et al., Ngai Cheong Metal Industries, pp. 1075-1087
[5] New trends in thin coatings for sheet metal forming tools, Escher C., Dörrenberg Edelstahl GmbH, pp. 771-783
[6] PA-CVD hard coatings for industrial applications, Lugmair C. et al., Rübig GmbH, pp.871-880
[7] Hard PVD coatings and their perspectives in forming tool applications, Podgornik B., Uppsala University, pp. 881-891
[8] New unidirectional single pass wear testing procedure, Renevier N. M. et al., Teer Coartings Ltd, pp. 749-760