Les aciers à outils

Qu’est-ce qu’un acier à outils ?

La norme NF EN ISO 4957 définit un acier à outils comme un acier spécial convenant au travail ou à la transformation de matériaux, à la manutention et au mesurage des pièces à façonner ; il doit pour cela présenter une dureté et une ténacité élevées et être résistant à l’usure.

De manière générale, on trouve des aciers à outils pour la mise en forme de verre, de plastique, de poudres, de zinc, de magnésium, d’aluminium, de cuivre, d’acier, de titane, voire d’éléments plus exotiques type zirconium ou tantale.

Quelles sont les différences avec les aciers pour construction mécanique ?

On différencie les aciers à outils des aciers pour construction mécanique tant par les conditions de leurs utilisations que par les critères d’emploi qui servent à les définir.

Pour un acier à outils de qualité, on recherche le maximum de durée d’utilisation, sans fixer de limite inférieure, alors que pour un acier de construction mécanique c’est une aptitude suffisante à l’emploi avec des caractéristiques spécifiques bien déterminées qui est privilégiée, comme la tenue à la fatigue, la résistance à la rupture brutale, l’aptitude à suivre un cycle thermomécanique au cours de la mise en œuvre et l’usinabilité.

Par ailleurs, l’acier à outils est sollicité dans la plupart des cas au niveau de sa surface qui doit supporter les contraintes les plus sévères alors que les sollicitations d’un acier de construction mécanique intéressent le matériau dans son ensemble.

La recherche de dureté explique la présence combinée de carbone, en premier lieu, mais également d’éléments d’addition favorisant la trempabilité (capacité d’obtenir une dureté homogène même sur de grosses sections). Ces éléments peuvent être carburigènes (générant des carbures dans la matrice) afin d’obtenir une résistance à l’usure ou une tenue à chaud.

Existe-t-il une classification des aciers à outils ?

La norme précédente, la NF A35590 distinguait les nuances en fonction de caractéristiques principales (résistance à l’usure, résistance aux chocs) ou de composition/structures (aciers au carbone fin, extra-fins). Elle a été remplacée par la norme NF EN ISO 4957 qui ne retient que quatre classes, les deux premières étant destinées aux applications dans lesquelles la température de surface est généralement inférieure à 200 °C :

Aciers à outils non alliés pour travail à froid.
Aciers à outils alliés pour travail à froid.

Classification aciers alliés/non alliés : pour en savoir plus

Aciers à outils pour travail à chaud destinés aux applications dans lesquelles la température de surface est supérieure à 200 °C.
Aciers à outils rapides, utilisés principalement pour l’usinage et le formage. Leur composition chimique fournit des caractéristiques de dureté et de résistance après trempe les plus élevée à haute température (jusqu’à environ 600°C). La métallurgie des poudres permet d’élaborer des nuances plus chargées en éléments carburigènes (vanadium, tungstène, molybdène) permettant des performances supérieures et des durées de vie plus longues pour les outils de coupe.

On peut noter que dans certains cas particuliers, il peut être également utilisé des aciers inoxydables résistant à l’usure (mise en forme de plastique ou de verre corrosif) voire des super alliages base nickel pour des mises en forme par forgeage ou extrusion à haute température.

Quels sont les propriétés d’emploi des aciers à outils ?

On distinguera les caractéristiques à la température ambiante et les caractéristiques à chaud. 5 principaux critères sont retenus :

La ténacité : résistance à l’amorçage et à la propagation des fissures.
La dureté : résistance du matériau à la pénétration. Pour les aciers à outils pour travail à chaud, on s’intéresse également à l’évolution de la dureté en fonction de la température de revenu.
La résistance à la fatigue thermique : résistance aux effets de chauffages et refroidissements successifs qui peuvent générer des fissures. Cette caractéristique est influencée par la cinétique d’oxydation, les propriétés physiques et mécaniques (notamment diffusivité thermique qui influence le gradient thermique, module d’Young et coefficient de dilatation linéaire) et par la microstructure.
La résistance à l’usure caractérisée par la faculté, pour la surface de l’outil, de conserver son état initial le plus longtemps possible sans endommagement lors de son utilisation. Sans rentrer dans les différents aspects de ce sujet, on peut dire qu’entrent en compte la taille des grains, le taux d’austénite résiduelle, la surface utile (quantité, répartition, géométrie…) et la dureté des carbures primaires. L’indication du tungstène équivalent permet une estimation de la résistance à l’usure liée à la composition chimique.
La tenue à la corrosion. Ce sujet qui est fonction du milieu ambiant n’est pas développé ici, nous retiendrons simplement l’usage de chrome dans la composition chimique.

Au delà de ces propriétés d’emploi, il faut prendre en compte les conditions de mise en œuvre lors de la fabrication de l’outil, notamment l’élaboration, l’usinage, le traitement thermique, le traitement de surface, la rectification et l’obtention d’une texture superficielle. L’acier doit par exemple présenter une bonne trempabilité pour que la structure soit homogène sur de très grandes épaisseurs après le traitement thermique.

Quels sont les emplois et les producteurs français d’aciers à outils ?

Les aciers à outils sont utilisés dans la plupart des industries de transformation à savoir :

l’automobile (découpe, forge, moulage alliage léger, plasturgie)
l’aéronautique (forgeage, laminage)
les biens de consommation (emboutissage, plasturgie, verrerie)
la construction et le transport (extrusion de profilé)
l’énergie pétrolière, gazière et nucléaire (laminage et filage de tube)
ainsi que dans tous les domaines faisant appel à l’usinage mécanique de pièces (outils pour le taillage d’engrenages et pour le taraudage dans l’automobile, pour le brochage dans des applications aéronautiques ou énergie….).

Pour une vision synthétique des acteurs/produits en France, vous pouvez consulter dans « MATIERES ET PRODUITS » « Fiches Métaux », la fiche Aciers alliés et non alliés pour outillage, aciers à coupe rapide ».

Les indications figurant dans ce document sont fournies à titre informatif sans aucune garantie de A3M ; leur usage ne peut engager sa responsabilité en aucune façon. Seule la norme AFNOR dans son édition la plus récente fait foi.