Moulage des plastiques : un acier innovant pour améliorer et fiabiliser la fabrication des outillages

A new metallurgical conception of steels for plastic injection molding part, designed for improved in-service properties

Usinor Industeel, Le Creusot

Résumé

L’industrie du moulage par injection des plastiques s’est longtemps satisfaite, pour la constitution des parties moulantes, d’aciers conventionnels à carbone relativement élevé (C ≈ 0,4 %) livrés à l’état pré-traité : 1000-1100 MPa (≈ 300 HB).

Cependant, ces aciers conventionnels montrent aujourd’hui leurs limites face à des exigences grandissantes en termes d’usinabilité et de facilité à la réparation par soudage renforcées lors de la fabrication des moules, que vient compléter une demande de conductivité thermique accrue en service lors des opérations d’injection.

En fait, la motivation principale commune à l’ensemble de ces souhaits de progrès est un raccourcissement des délais à tous les stades. En effet :

– l’accélération de la fabrication des moules passe par une usinabilité améliorée et une soudabilité renforcée, compatible avec les traitements de surface ultérieurs de sorte à répondre rapidement, avec souplesse et fiabilité, aux demandes de re-profilage des empreintes, rencontrées de plus en plus fréquemment.

– le raccourcissement des temps d’injection passe par une évacuation plus rapide de la chaleur depuis l’empreinte, que peut assurer une conductivité thermique renforcée, toutes choses égales par ailleurs. Une réponse satisfaisante à cet ensemble de demandes, très diversifiées en nature, ne peut résulter de simples modifications adaptatives de l’acier. Une reconception métallurgique plus fondamentale, notamment au niveau des composants d’alliage, apparaît clairement nécessaire.

En ce qui concerne la soudabilité (santé interne des zones affectées par la chaleur, homogénéité de réponse travers joint des traitements de surface ultérieurs : polissage, grenage chimique) une réduction importante de la teneur en carbone peut apporter une première contribution décisive.

Il en est de même pour la réduction des points durs liés aux ségrégations localisées. De plus, la réduction de la ségrégation via la concentration en carbone autorise, à son tour, l’addition de teneurs modérées en éléments favorables à l’usinabilité, soufre en particulier, et ce sans aucunement nuire à la polissabilité ni à la grenabilité.

Afin de maintenir les niveaux de résistance, il y a lieu de compenser la forte diminution de carbone par des teneurs accrues en éléments carburigènes forts tels molybdène, vanadium et/ou niobium.

Ainsi, la réduction de fraction volumique des carbures, liée à la diminution du carbone, se trouve compensée, en terme de pouvoir durcissant, par une distribution plus fine de carbures par ailleurs plus durs, car fortement alliés en carburigènes nobles.

Enfin, la conductivité thermique de l’acier se présente comme une fonction décroissante pondérée des éléments d’alliages métalliques, lesquels déterminent par ailleurs le niveau de trempabilité de l’acier. À ce point de vue, les exigences d’utilisation sont opposées car la tendance du marché utilisateur ne va nullement vers des sections plus fines mais au contraire, vers des épaisseurs plus fortes. Il s’agit donc d’accroître la conductivité sans aucunement altérer la trempabilité. En conséquence, une simple réduction quantitative globale des éléments d’alliage serait inadéquate. Un ré-examen, élément par élément, des contributions respectives de chacun d’eux en termes de pouvoir trempant et de contribution à la résistivité thermique était à effectuer.

De cette analyse détaillée préalable dérivent de nouveaux équilibrages entre éléments d’alliage, mettant à profit, dans la mesure du possible, ceux dont le ratio effet trempant/effet résistif est élevé, et en mettant particulièrement l’accent sur l’utilisation de micro-additions de bore ainsi qu’une sévère réduction de la teneur en silicium.

Le bore est clairement un élément de choix dans cette approche. Toutefois, son efficacité trempante intégrale, même en conditions de protection correcte vis-à-vis de l’azote, requiert quelques précautions spécifiques complémentaires dans ces types d’aciers déjà assez fortement alliés.

À cet égard, la réduction de la teneur en carbone et l’accroissement de la teneur en molybdène, déjà valorisées par les arguments précédents, trouvent ici une justification complémentaire.

La nouvelle conception métallurgique d’acier pour moules d’injection, telle que définie à partir des argumentations développées ici, disponible sous la dénomination Superplast SP300 a d’ores et déjà acquis confirmation, en service industriel, du bien fondé de cette évolution analytique qui se concrétise bien, comme attendu, sur l’ensemble des principales valeurs d’usage : usinabilité, soudabilité compatible avec polissage et grenage ultérieur, conductivité thermique.

Abstract

Plastic injection molding industry has long been served for molding parts with conventional medium carbon (C % ≈ 0,400) steels delivered as pretreated at 1000-1100 MPa (≈ 300 HB).

Although considered satisfactory during several decades, these steels show clear limitations, regarding increasing demands in terms of machinability and weldability during molds manufacture and thermal conductivity at the time of operative injection molding.

Shortening of delays is the main and common origin of these steadily increasing demands :

– Shortening delays for mold fabrication implies better machinability and improved weldability in order to cope quickly with more and more frequent redesigning of mold shapes or last-minute necessity for repairs.

– Shortening time during injection and solidification of plastics, which means quicker evacuation of heat, i.e. heat transfert thanks to improved thermal conductivity of the molding steel parts.

The satisfactory answer to this group of very different demands should not simply result from adaptative modifications of steel grades, but requires clearly a definitely new metallurgical conception of steel.

As concerns weldability (soundness of heat affected zone, homogeneous through welding response to further surface treatments like polishing or chemical etching) a severe decrease of carbon content is required. This holds equally true regarding minimisation of hard points due to localized segregates. Additionnally, reduced segregations allow, in turn, some moderate additions of machinability improving elements such as sulfur, without impairing polishability nor etchability.

In order to keep required hardness levels, the lowering of carbon content should be compensated by increased contents of strong carbides formers such as molybdenum and/or vanadium or niobium. Thus, the reduced volume fraction of carbides is compensated by a finer dispersion of harder micro-carbides, highly alloyed with Mo, V, Nb.

Now, thermal conductivity of steel is directly a decreasing function of alloying elements governing hardenability of steel. But decreasing hardenability in this respect is inadequate since the general trends of molding industries are not for thinner but for rather thicker molding parts. Accordingly the demand stands for higher thermal conductivity at unaltered or even increased hardenability.

Consequently, quantitative adjustments of global alloying is not appropriate but rather a qualitative re-assessment of the respective contributions of each alloying element in terms of hardenability effect to thermal resistivity effect ratio. From this detailed analysis are derived new balances for alloying elements as a whole and additionnaly, the involvment of boron addition, unusual in this type of steel, and a severe reduction of silicium content. Boron is a premium choice in terms of hardenability to thermal resistivity ratio, but its throrough efficiency, even when correctly protected against nitrogen, requires some specific care regarding analysis of other alloying elements. In this respect, decreasing carbon and increasing molybdenum contents, already promoted for other reasons, is also favored for this one.

The resulting new analytical conception for pretreated mold steel, available as Superplast SP300 has now gain convincing industrial evidence for significant improvements in terms of machinability, weldability and associated further surface treatments and also heat conductivity, mainly thanks to the reduced carbon and silicon contents and the boron and strong carbides formers enriched analysis.