Sélectionner et préparer les matériaux et les aciers à outils

Introduction au rôle du matériau dans l'outillage

Le choix du matériau est la première décision technique critique dans la fabrication d'un outil, d'une matrice ou d'un moule. Un outil peut être parfaitement conçu et usiné, mais si le matériau est mal sélectionné ou mal préparé, il échouera prématurément par rupture, déformation, usure ou fatigue thermique. Pour l'examen du Sceau rouge (Red Seal), vous devez démontrer une compréhension approfondie des familles d'aciers à outils, de leurs traitements thermiques et des critères de sélection basés sur l'application finale.

Ce chapitre couvre les systèmes de classification (AISI/SAE et CSA), les propriétés mécaniques et physiques pertinentes, les procédures de traitement thermique (recuit, durcissement, revenu), les traitements de surface, ainsi que les méthodes de vérification de la dureté. Une attention particulière est portée aux normes canadiennes applicables et aux pièges courants identifiés lors des examens.

Systèmes de classification des aciers

Le système AISI/SAE pour les aciers à outils

Au Canada, la classification des aciers à outils suit principalement le système de l'American Iron and Steel Institute (AISI) et de la Society of Automotive Engineers (SAE) . Ce système utilise un préfixe alphabétique indiquant la famille, suivi d'un numéro. Les familles principales sont :

Famille	Désignation	Caractéristique principale
Acier au carbone (eau)	W (W1, W2)	Durcissement à l'eau, faible coût
Acier à froid (huile)	O (O1, O2)	Durcissement à l'huile, faible déformation
Acier à froid (air)	A (A2, A6)	Durcissement à l'air, excellente stabilité
Acier à froid (haute teneur en carbone-chrome)	D (D2, D3)	Très résistant à l'usure, haute teneur en carbone
Acier à chaud (tungstène)	H (H13, H21)	Résistance à chaud, trempe à l'air ou à l'huile
Acier rapide (tungstène)	T (T1, T15)	Résistance à chaud élevée, pour outils de coupe
Acier rapide (molybdène)	M (M2, M42)	Alternative au tungstène, bonne ténacité
Acier résistant aux chocs	S (S1, S7)	Haute ténacité, résistance aux chocs
Acier pour matrices (molybdène)	P (P20)	Pour moules de plastique, usinabilité

Règle mnémotechnique pour l'examen : les lettres correspondent souvent à la méthode de trempe ou à l'usage principal. "W" pour Water (eau), "O" pour Oil (huile), "A" pour Air, "D" pour Die (matrice), "H" pour Hot work (travail à chaud), "T" et "M" pour les aciers rapides (Tungstène et Molybdène).

Le système CSA pour les aciers

La CSA Group (Association canadienne de normalisation) publie des normes relatives aux aciers, notamment la CSA G40.20 et la CSA G40.21 pour les aciers de construction, et la CSA W47.1 pour la qualification des procédés de soudage. Bien que ces normes concernent principalement les aciers de construction, le candidat doit savoir que les aciers à outils sont généralement spécifiés par les désignations AISI/SAE, et que les normes CSA s'appliquent aux matériaux de support, aux plaques de montage et aux structures d'outillage.

Point d'examen : La norme CSA G40.20-13/A40.21-13 couvre les exigences générales pour les aciers de construction laminés à chaud, soudés et fabriqués à froid. Elle est souvent citée dans les questions sur les matériaux de base pour les plaques de fixation et les socles d'outillage.

Propriétés des matériaux pertinentes pour l'outillage

Dureté

La dureté est la résistance d'un matériau à la pénétration ou à la déformation plastique locale. C'est la propriété la plus couramment spécifiée pour les aciers à outils. Les échelles principales sont :

Rockwell C (HRC) : utilisée pour les aciers trempés (20-70 HRC). Indentateur en cône de diamant, charge de 150 kgf.

Rockwell B (HRB) : pour les matériaux plus tendres (aciers recuits, laiton). Indentateur en bille d'acier de 1/16 po, charge de 100 kgf.

Brinell (HB) : bille en carbure de tungstène, utilisé pour les pièces brutes ou les grandes surfaces.

Vickers (HV) : pyramide en diamant, utilisé pour les mesures de précision et les couches minces.

Formule de conversion approximative : pour les aciers à outils, HRC ≈ (HB / 10) - 10, mais cette conversion n'est valable que dans une plage limitée. L'examen peut vous demander d'interpréter un tableau de conversion, mais pas de calculer manuellement.

Ténacité

La ténacité est la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie avant rupture. Elle est mesurée par l'essai de choc Charpy (essai par choc sur éprouvette entaillée). Les aciers à outils doivent équilibrer dureté et ténacité : un acier trop dur sera fragile, un acier trop tenace s'usera rapidement.

Résistance à l'usure

La résistance à l'usure dépend principalement de la teneur en carbone et en carbures (chrome, vanadium, tungstène, molybdène). Les carbures durs dans la matrice martensitique agissent comme des barrières à l'abrasion. L'acier D2, avec 1,5-2,3 % de carbone et 11-13 % de chrome, offre une excellente résistance à l'usure mais une ténacité limitée.

Résistance à chaud

La résistance à chaud (ou dureté à chaud) est la capacité de conserver la dureté à température élevée. Les aciers à chaud (H13) et les aciers rapides (M2, T1) conservent leur dureté jusqu'à 500-600 °C, ce qui les rend indispensables pour les matrices de forgeage et les outils de coupe à grande vitesse.

Usinabilité

L'usinabilité est la facilité avec laquelle un matériau peut être coupé. Les aciers à outils sont généralement fournis à l'état recuit (dureté de 200-250 HB) pour faciliter l'usinage. L'ajout de soufre (aciers "à usinabilité améliorée") peut être spécifié, mais cela réduit la ténacité.

Sélection de l'acier à outils selon l'application

Critères de sélection

Le choix d'un acier à outils repose sur une analyse systématique des exigences suivantes :

32.Type d'opération : découpage, formage, emboutissage, injection plastique, forgeage, extrusion, coupe.

33.Température de service : température maximale atteinte par l'outil en fonctionnement.

34.Volume de production : nombre de pièces à produire avant réaffûtage ou remplacement.

35.Complexité géométrique : risque de déformation pendant la trempe.

36.Coût du matériau et de l'usinage : rapport coût/performance.

37.Méthode de fabrication : usinage conventionnel, électroérosion (EDM), impression 3D.

Tableau de sélection rapide

Application	Acier recommandé	Justification
Poinçons et matrices de découpage (faible volume)	O1	Bon compromis coût/déformation, trempe à l'huile
Matrices de découpage (grand volume)	D2	Excellente résistance à l'usure, stabilité dimensionnelle
Matrices de formage à froid	A2	Bonne combinaison ténacité/usure, trempe à l'air
Matrices de forgeage à chaud	H13	Excellente résistance à chaud, résistance aux chocs thermiques
Outils de coupe (fraisage, tournage)	M2, T1	Dureté à chaud élevée, résistance à l'usure
Moules d'injection plastique	P20	Usinabilité excellente, dureté suffisante (28-32 HRC)
Outils de frappe à froid	S7	Ténacité maximale, résistance aux chocs
Lames de cisaillement	D2 ou M2	Résistance à l'usure abrasive

Règle d'or pour l'examen : si la question mentionne une température de service supérieure à 200 °C, éliminez immédiatement les aciers à froid (W, O, A, D) et choisissez un acier à chaud (H) ou un acier rapide (M, T).

Traitements thermiques des aciers à outils

Le diagramme fer-carbone et les transformations de phase

Le candidat doit maîtriser les points critiques du diagramme fer-carbone :

A1 (723 °C) : température eutectoïde. En dessous de cette température, l'acier est stable sous forme de ferrite + cémentite.

A3 : limite de solubilité du carbone dans la ferrite (pour les aciers hypoeutectoïdes).

Acm : limite de solubilité du carbone dans l'austénite (pour les aciers hypereutectoïdes).

Eutectoïde (0,77 % C) : transformation perlitique.

Pour les aciers à outils (teneur en carbone de 0,5 à 2,3 %), la plupart sont hypereutectoïdes (plus de 0,77 % C). La présence de carbures primaires et secondaires influence directement la résistance à l'usure.

Le recuit

Le recuit est un traitement thermique visant à adoucir l'acier, à améliorer l'usinabilité et à préparer la microstructure pour la trempe. Pour les aciers à outils, on utilise principalement le recuit complet ou le recuit de régularisation :

51.Chauffer à une température de 760-870 °C (selon l'acier).

52.Maintenir à température pendant 1 heure par 25 mm d'épaisseur.

53.Refroidir lentement au four (20-30 °C/heure) jusqu'à 500 °C, puis à l'air.

Objectif : obtenir une structure perlitique ou sphéroïdisée avec une dureté de 200-250 HB.

Piège d'examen : le recuit n'est pas identique à la normalisation. La normalisation refroidit à l'air, ce qui produit une structure plus dure (perlite fine) et n'est pas appropriée pour les aciers à outils fortement alliés.

Le durcissement (trempe)

La trempe consiste à chauffer l'acier au-dessus de la température critique (A3 ou Acm) pour former de l'austénite, puis à refroidir rapidement pour former de la martensite, une structure dure et fragile.

Procédure typique pour un acier O1 :

59.Préchauffage : 650-700 °C, maintien de 15 minutes pour réduire les chocs thermiques.

60.Chauffage final : 790-815 °C, maintien de 10-30 minutes selon l'épaisseur.

61.Trempe : refroidissement dans l'huile à 50-60 °C, agitation constante.

62.Refroidissement : jusqu'à ce que la pièce atteigne 50-60 °C, puis retirer de l'huile.

Températures de trempe pour les aciers courants :

Acier	Température de trempe (°C)	Milieu de trempe	Dureté obtenue (HRC)
W1	760-790	Eau saumâtre	64-66
O1	790-815	Huile	62-64
A2	925-980	Air (ventilé)	60-62
D2	980-1025	Air ou huile	60-62
H13	995-1025	Air	48-52
M2	1190-1230	Huile ou air	63-65

Règle de maintien : la durée de maintien à température est généralement de 1 minute par millimètre d'épaisseur, avec un minimum de 10 minutes pour les petites pièces.

Le revenu

Le revenu est un traitement thermique obligatoire après la trempe. Il consiste à réchauffer l'acier trempé à une température inférieure à A1 (150-650 °C) pour :

Réduire les contraintes internes.

Augmenter la ténacité.

Stabiliser la microstructure.

Ajuster la dureté finale.

Effet de la température de revenu sur la dureté (acier O1) :

Température de revenu (°C)	Dureté finale (HRC)	Application typique
150-200	60-62	Outils de coupe, poinçons
250-350	55-58	Matrices de formage
400-500	48-52	Outils soumis à des chocs
550-650	40-45	Pièces nécessitant une grande ténacité

Fragilité de revenu : certains aciers (notamment ceux contenant du manganèse, du chrome ou du nickel) présentent une fragilité de revenu entre 250 et 400 °C. Il faut éviter ce domaine ou refroidir rapidement après le revenu.

Revenu multiple : pour les aciers à chaud (H13) et les aciers rapides (M2), un double ou triple revenu est nécessaire pour transformer l'austénite résiduelle en martensite revenue. Chaque revenu dure 1-2 heures.

L'austénite résiduelle

Lors de la trempe, une partie de l'austénite peut ne pas se transformer en martensite. Cette austénite résiduelle est molle et instable. Pour les aciers à haute teneur en alliages (D2, M2), elle peut représenter 20-30 % de la microstructure.

Solutions :

Traitement cryogénique : refroidissement à -80 °C ou -196 °C (azote liquide) après la trempe pour transformer l'austénite résiduelle en martensite.

Revenus multiples : chaque revenu transforme une partie de l'austénite résiduelle en martensite, qui est ensuite revenue lors du cycle suivant.

Piège d'examen : le traitement cryogénique doit être effectué immédiatement après la trempe, avant le premier revenu, pour être efficace.

Traitements de surface et revêtements

La nitruration

La nitruration est un traitement thermochimique qui introduit de l'azote dans la surface de l'acier à une température de 500-580 °C, sans transformation de phase. Elle produit une couche superficielle très dure (1000-1200 HV) avec une excellente résistance à l'usure et à la fatigue.

Nitruration gazeuse : ammoniac dissocié à 520-560 °C, durée 20-80 heures.

Nitruration ionique (plasma) : décharge électrique dans un gaz azoté, durée réduite.

Nitruration en bain de sels : bain de cyanates à 570 °C, durée 1-3 heures.

Application : matrices de forgeage (H13), moules d'injection, composants de machines.

La cémentation

La cémentation est un traitement thermochimique qui introduit du carbone dans la surface d'un acier à bas carbone (< 0,3 % C) pour créer une couche dure (58-62 HRC) sur un cœur tenace.

Cémentation solide : pièces enfouies dans un composé carboné, 900-950 °C.

Cémentation gazeuse : atmosphère enrichie en méthane ou propane, 900-950 °C.

Cémentation liquide : bain de cyanure, 850-950 °C.

Attention : la cémentation n'est pas utilisée pour les aciers à outils (déjà riches en carbone), mais pour les pièces de mécanisme d'outillage (piliers, colonnes, bagues).

Les revêtements PVD et CVD

Les revêtements par dépôt physique en phase vapeur (PVD) et par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) améliorent considérablement la durée de vie des outils de coupe :

Revêtement	Dureté (HV)	Température de dépôt (°C)	Application
TiN (nitrure de titane)	2300	450-500 (PVD)	Outils de coupe, matrices
TiCN (carbonitrure de titane)	3000	400-450 (PVD)	Fraises, forets
TiAlN (nitrure de titane-aluminium)	3300	450-500 (PVD)	Usinage à grande vitesse
Al₂O₃ (alumine)	2100	1000 (CVD)	Plaquettes de tournage

Point d'examen : le revêtement TiAlN est préféré pour l'usinage à sec à grande vitesse car il forme une couche d'alumine protectrice à haute température.

Vérification de la dureté et essais

Essai Rockwell

L'essai Rockwell est le plus répandu dans les ateliers d'outillage. Il mesure la profondeur de pénétration sous charge.

Échelle C (HRC) : cône de diamant, précharge de 10 kgf, charge totale de 150 kgf. Utilisée pour les aciers trempés (20-70 HRC).

Échelle B (HRB) : bille de 1/16 po, précharge de 10 kgf, charge totale de 100 kgf. Utilisée pour les aciers recuits (35-100 HRB).

Précautions :

La surface doit être plane, propre et exempte d'oxydes.

L'épaisseur minimale doit être d'au moins 10 fois la profondeur de pénétration.

Les mesures sur surfaces cylindriques nécessitent des corrections.

Essai Brinell

L'essai Brinell utilise une bille en carbure de tungstène de 10 mm avec une charge de 3000 kgf pour les aciers. Le diamètre de l'empreinte est mesuré et converti en nombre HB.

Formule : HB = 2F / (πD√(D² - d²)), où F est la charge en kgf, D le diamètre de la bille en mm, et d le diamètre de l'empreinte en mm.

Application : contrôle des pièces brutes, des aciers recuits, des grandes surfaces.

Essai Vickers

L'essai Vickers utilise une pyramide en diamant à base carrée avec des charges de 1 à 120 kgf. Il est particulièrement adapté aux couches minces et aux mesures de microdureté.

Formule : HV = 1,854 × F / d², où F est la charge en kgf et d la moyenne des diagonales de l'empreinte en mm.

Normes canadiennes applicables

CSA W47.1 — Qualification du soudage

La norme CSA W47.1 (Règles de qualification des entreprises de soudage) s'applique au soudage des aciers de construction et des aciers à outils. Pour les outilleurs, cette norme est pertinente lors de la réparation de matrices par soudure. Les exigences clés incluent :

Qualification des soudeurs selon les procédures spécifiques.

Qualification des procédures de soudage (WPS) selon la norme CSA W47.1 ou ASME Section IX.

Contrôle de la température de préchauffage et de post-chauffage.

Règle pratique : pour le soudage de l'acier H13, un préchauffage de 300-350 °C et un post-chauffage immédiat à 550-600 °C sont obligatoires pour éviter la fissuration.

CSA G40.20/G40.21 — Aciers de construction

La norme CSA G40.20-13/G40.21-13 spécifie les exigences pour les aciers de construction laminés à chaud. Les qualités courantes incluent :

260W : limite d'élasticité de 260 MPa, usage général.

300W : limite d'élasticité de 300 MPa, usage courant.

350W : limite d'élasticité de 350 MPa, pour les structures plus exigeantes.

Ces aciers sont utilisés pour les socles, les plaques de montage et les structures porteuses d'outillage.

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1) s'applique aux installations électriques des équipements d'outillage, notamment les systèmes de chauffage par induction, les fours de traitement thermique et les commandes de machines. La règle 8-200 concerne le calcul de la demande électrique pour les moteurs et les équipements de chauffage.

Point d'examen : les fours de traitement thermique doivent être conformes aux exigences de la CSA C22.2 No. 88 pour les appareils de chauffage industriel.

Procédures de préparation des matériaux

Réception et identification

À la réception d'un acier à outils, le candidat doit savoir :

134.Vérifier le certificat de conformité (mill certificate) indiquant la composition chimique et les propriétés mécaniques.

135.Vérifier les marquages sur le matériau (couleur, étiquette, poinçon).

136.Vérifier l'état de surface (décarburation, criques, piqûres).

137.Vérifier les dimensions par rapport au bon de commande.

Décarburation

La décarburation est la perte de carbone à la surface de l'acier lors du chauffage. Elle se produit lorsque l'acier est chauffé au-dessus de 700 °C dans une atmosphère oxydante. La couche décarburée est plus molle et doit être enlevée par usinage ou meulage avant la trempe.

Prévention :

Utiliser une atmosphère protectrice (azote, argon) dans le four.

Utiliser des sels de bain pour le chauffage.

Envelopper les pièces dans une feuille d'acier inoxydable avec un papier absorbant d'oxygène (procédé de paquetage).

Piège d'examen : la décarburation abaisse la dureté de surface de 2 à 5 HRC. Un contrôle de dureté sur une pièce décarburée donnera des valeurs faussement basses.

Usinage avant traitement thermique

Les règles générales pour l'usinage des aciers à outils :

147.Surépaisseur de finition : laisser 0,5 à 1,0 mm sur les surfaces qui seront rectifiées après trempe.

148.Arrondis : tous les angles vifs internes doivent avoir un rayon minimal de 0,5 mm pour éviter les concentrations de contraintes.

149.Perçage : les trous doivent être percés avant la trempe lorsque c'est possible.

150.Marquage : utiliser de l'encre ou un poinçon doux, jamais un poinçon central agressif qui créerait une entaille.

Déformation pendant la trempe

Les déformations pendant la trempe sont causées par :

Les contraintes internes libérées lors du chauffage.

Les différences de vitesse de refroidissement entre les sections minces et épaisses.

La transformation martensitique (augmentation de volume de 1-2 %).

Minimisation :

Choisir un acier à trempe à l'air (A2) plutôt qu'à l'huile ou à l'eau.

Préchauffer uniformément.

Utiliser des supports appropriés dans le four.

Tremper dans la direction de la plus grande dimension.

Calculs pratiques pour l'outilleur

Calcul de la surépaisseur de rectification

Si une pièce doit avoir une dureté de 58-60 HRC après trempe et revenu, et que la déformation estimée est de 0,05 mm, la surépaisseur minimale de rectification est :

Surépaisseur = Déformation estimée + 0,2 mm (minimum pour enlever la décarburation)

Exemple : déformation de 0,05 mm → surépaisseur = 0,05 + 0,2 = 0,25 mm par surface.

Calcul de la charge d'un four

Pour un four de traitement thermique, la charge maximale est déterminée par la puissance du four et la masse des pièces :

Temps de chauffage (heures) = (Masse totale en kg) / (Puissance du four en kW × 0,5)

Cette formule est approximative et dépend de la géométrie des pièces.

Calcul de la dilatation thermique

La dilatation thermique des aciers à outils est d'environ 11-13 × 10⁻⁶ /°C. Pour une pièce de 200 mm chauffée de 20 °C à 800 °C :

ΔL = L₀ × α × ΔT = 200 mm × 12 × 10⁻⁶ /°C × 780 °C = 1,87 mm

Application : ce calcul est essentiel pour les montages de précision et les cales.

Contrôle qualité et documentation

Certificats de traitement thermique

Chaque cycle de traitement thermique doit être documenté avec :

La courbe de température (enregistrement continu).

Les temps de maintien.

Le milieu de trempe utilisé.

Les résultats de dureté (plusieurs points par pièce).

Le nom de l'opérateur et la date.

Contrôle de dureté après traitement

Le contrôle de dureté doit être effectué :

Sur une surface plane et propre (meulée si nécessaire).

À au moins 3 points différents pour chaque pièce.

En évitant les bords (distance minimale de 2,5 mm du bord).

En tenant compte de la tolérance de ± 2 HRC pour un traitement standard.

Résumé

Les aciers à outils sont classés en familles AISI/SAE : W (eau), O (huile), A (air), D (haute teneur en carbone-chrome), H (travail à chaud), T/M (aciers rapides), S (chocs), P (moules plastique).

La sélection repose sur : température de service, volume de production, complexité géométrique, coût et méthode de fabrication.

Le traitement thermique complet comprend : recuit (adoucissement), trempe (durcissement par martensite), et revenu (ajustement de la ténacité et de la dureté).

La trempe doit être suivie d'un revenu immédiat pour éviter la fissuration.

Les aciers à chaud et rapides nécessitent des revenus multiples pour transformer l'austénite résiduelle.

La nitruration et les revêtements PVD/CVD améliorent la résistance à l'usure de surface.

Les normes CSA pertinentes : CSA W47.1 (soudage), CSA G40.20/G40.21 (aciers de construction), Code canadien de l'électricité Chapitre V (installations électriques).

La décarburation est un risque majeur lors du chauffage ; elle doit être enlevée avant la trempe.

Les contrôles de dureté (Rockwell, Brinell, Vickers) doivent être effectués sur des surfaces préparées et à distance des bords.

Pièges à éviter

199.Confondre recuit et normalisation : le recuit refroidit lentement au four ; la normalisation refroidit à l'air. Pour les aciers à outils, seul le recuit est utilisé avant l'usinage.

200.Oublier le revenu après la trempe : un acier trempé sans revenu est extrêmement fragile et se fissurera à l'usage ou même au refroidissement.

201.Choisir un acier à froid pour une application à chaud : si la température de service dépasse 200 °C, les aciers W, O, A et D perdent leur dureté rapidement. Il faut choisir H13, M2 ou T1.

202.Ignorer la décarburation : une pièce chauffée sans atmosphère protectrice perd du carbone en surface. La dureté mesurée sera faussement basse et la pièce s'usera prématurément.

203.Effectuer un seul revenu sur un acier rapide : M2 et T1 nécessitent 2 à 3 revenus pour transformer l'austénite résiduelle. Un seul revenu laisse 20-30 % d'austénite instable.

204.Utiliser l'échelle Rockwell B pour un acier trempé : l'échelle B est pour les matériaux tendres. Pour les aciers trempés (50+ HRC), utilisez l'échelle C avec un cône de diamant.

205.Mesurer la dureté sur une surface brute de forge : la surface doit être meulée ou polie pour éliminer la décarburation et les irrégularités.

206.Confondre les températures critiques : A1 est la température eutectoïde (723 °C), A3 est la limite de solubilité pour les aciers hypoeutectoïdes, Acm pour les hypereutectoïdes. La température de trempe doit être au-dessus de A3 ou Acm.

207.Négliger le préchauffage : pour les aciers fortement alliés (D2, H13, M2), un préchauffage à 650-800 °C est obligatoire pour éviter les chocs thermiques et la fissuration.

208.Oublier les normes CSA lors du soudage de réparation : toute réparation par soudage sur un outil doit suivre les exigences de la CSA W47.1, incluant les préchauffages et les traitements thermiques après soudage.

Sélectionner et préparer les matériaux et les aciers à outils