Tenue en fatigue thermique de moule améliorée par 3 % de molybdène

Un article nord-américain met en évidence que la résilience n’a pas de corrélation directe avec la tenue en fatigue thermique des aciers pour tenue à chaud (type H13) utilisés en fonderie sous pression.

La ténacité est-elle un critère pertinent ?
Le mode d’endommagement majeur des aciers à outils 5 % de chrome en fonderie en moule métallique (moulage coquille, basse pression et fonderie sous pression) est sans conteste la fatigue thermique qui provoque un réseau de fissures de plus en plus profondes en surface. La mesure de la ténacité (essai de résilience Charpy sur éprouvette avec entaille en V) sur éprouvette en acier est un essai peu onéreux et largement accepté pour déterminer la qualité d’un acier à outil. Cependant, la ténacité est-elle directement reliée à la tenue en fatigue thermique, critère essentiel pour juger de la qualité d’un acier de moule ?

Eprouvette entaillée pour essai de résilience Charpy

Pas de corrélation entre ténacité et tenue en fatigue thermique
Une étude allemande a été menée par la société DEW GmbH (Buckstegge, Gehricke et Reichel) pour établir la corrélation entre ténacité et tenue en chocs thermique. Dans cette étude, l’acier H13 issu de refusion sous vide (Electro-Slag-Remelted), très courant, a été étudié avec différentes nuances  et teneur en vanadium (V) et en molybdène (Mo). Ces 2 éléments ont l’influence la plus notable sur la tenue en fatigue.
Les auteurs concluent qu’il n’y a aucune corrélation entre ténacité et tenue en fatigue thermique. Cependant, la ténacité reste un élément d’appréciation au même titre que l’analyse de la microstructure, la propreté inclusionnaire ou la mesure de la taille des grains sur micrographie.

Absence de corrélation entre ténacité et tenue en fatigue thermique

Paramètres importants
Pour la tenue en fatigue thermique, les auteurs préconisent, plutôt que de regarder seulement la ténacité, de tenir compte de paramètres physiques de l’acier :
-    les caractéristiques mécaniques (Rm, Rp0.2, A %)
-    la dureté
-    la résistance à l’adoucissement (conservation de la dureté à chaud)
-    la conductivité thermique. une plus haute conductivité thermique à chaud permettra d’évacuer plus facilement les calories en surface de moule et donc de réduire les contraintes.
-    le coefficient de dilatation

Recommandation: mixer les nuances d'acier
Les auteurs recommandent d’utiliser plusieurs types d’acier dans un même moule ; des aciers standards H13 pour les zones d’empreinte conventionnelles et des aciers plus performants (type THYROTHERM 2367 : H13 avec 3 % de Mo) pour les zones de cavité très sollicités thermiquement.

Résultats industriels
Sur un cas industriel (insert de chambre d’eau de moule de bloc moteur), l’acier H11 modifié a donné de meilleurs résultats que le H13 (durée de vie de l’insert de 8500 injections en H11 modifié contre 2500 en H13). Le H11 modifié contenait 0.32-0.43 % C, 4.70-5.70 % Cr, 1.1-2.1 % de Mo et 0.30-0.80 % de V.

Un équipementier avait des gros problèmes de durée de vie des boches (usure, fatigue thermique) sur presses de 2500 tonnes. Même avec une plus faible ténacité, l’acier type 2367 a conduit à une augmentation de 50 % de durée de vie des éléments de moule par rapport à un acier H13 précédemment utilisé.

Source : DCE Magazine (mars 2010)
          Improved tooling performance with advanced die materials
          John Stocker, Technical director Schmolz + Bickenbach USA Inc. (Carol Stream/Illinois)