Aciers au carbone et à outils

À propos du matériau

Les aciers au carbone et les aciers à outils sont des matériaux de construction métalliques classiques de grande importance industrielle. Ils se distinguent principalement par leur teneur en carbone ainsi que par le type et la proportion d’éléments d’alliage supplémentaires.

Les aciers au carbone (par exemple les aciers de construction non alliés et les aciers à ressort) couvrent un large spectre de résistance, en fonction de la teneur en carbone. En revanche, les aciers à outils sont conçus pour une dureté et une résistance mécanique maximales grâce à des additifs d’alliage ciblés.

Les propriétés des deux groupes de matériaux peuvent être ajustées de manière ciblée par des traitements thermiques tels que la trempe ou le revenu.

Chez Studer-Biennaform, ces matériaux sont transformés en fil plat de précision laminé à froid, avec des caractéristiques mécaniques précisément définies. Les applications typiques sont les ressorts, les pièces estampées et les composants de mécanique de précision pour lesquels des tolérances serrées et des résistances fiables sont requises.

Aciers au carbone

Selon leur nuance, les aciers au carbone contiennent entre 0,2 % et plus de 0,8 % de carbone. Les différences suivantes sont déterminées :

• inférieur à env. 0,25 % C : faible teneur en carbone
• env. 0,25 à 0,6 % C : teneur moyenne en carbone
• supérieur à env. 0,6 % C : teneur élevée en carbone

La teneur en carbone influence considérablement les propriétés du matériau : plus celle-ci augmente, plus la dureté et la résistance à la traction augmentent, tandis que la ténacité, la ductilité et la soudabilité diminuent. Les aciers à faible teneur en carbone sont tendres, résistants et soudables. Après trempe, les nuances à teneur élevée en carbone atteignent des valeurs de dureté extrêmes supérieures à 60 HRC et offrent une grande résistance à l’usure, mais avec une ténacité réduite.

Les aciers au carbone non alliés ne contiennent pas de quantités significatives de chrome, de nickel ou d’autres éléments d’alliage. Leur résistance à la corrosion est donc limitée. En l’absence de traitement, ils ont tendance à rouiller. Des traitements thermiques appropriés tels que la trempe et le revenu permettent de définir des états de structure tels que la martensite, la bainite ou la perlite afin d’adapter de manière ciblée la résistance et la ténacité.

Grâce à leur polyvalence et à leur rentabilité, les aciers au carbone sont utilisés dans de nombreux domaines industriels, notamment dans les cas suivants :

• Composants mécaniques simples tels que boulons, axes, plaques de base
• Pièces estampées et moulées
• Applications de ressorts : p. ex. C75, C100 ou l’acier à ressort allié 51CrV4
• Ressorts de compression, de traction et à lame à haute élasticité et résistance à la fatigue (après traitement thermique)
• Composants laminés à froid présentant une élasticité et une force de rappel définies : agrafes à ressort, bagues de sécurité, ressorts d’horlogerie
• Pièces dentaires et outils de coupe : lames de scie, limes, bords trempés

Grâce à leur large éventail de propriétés et à leur bonne disponibilité, les aciers au carbone restent un pilier de la construction mécanique, de la construction automobile et de la construction métallique classique.

Aciers à outils

Les aciers à outils sont des matériaux spécialement développés pour la fabrication d’outils et de pièces de précision fortement sollicitées. Outre le carbone, ils contiennent des éléments d’alliage supplémentaires tels que le chrome, le vanadium, le molybdène ou le tungstène. Ces éléments améliorent de manière ciblée la trempabilité, la résistance à la chaleur, la résistance à l’usure et la stabilité dimensionnelle.

Les propriétés typiques des aciers à outils sont des valeurs de dureté très élevées après trempe (supérieures à 60 HRC, voire jusqu’à environ 70 HRC pour les aciers rapides). Ils présentent une bonne résistance à la chaleur et conviennent aux applications soumises à des contraintes thermiques élevées. La composition ciblée de l’alliage améliore considérablement sa résistance à l’usure. La stabilité dimensionnelle est également préservée après le traitement thermique et garantit la fidélité dimensionnelle des éléments soumis à des sollicitations mécaniques et thermiques.

Les aciers à outils sont principalement utilisés pour les outils de coupe, d’estampage et de formage, notamment dans les cas suivants :

• Poinçons, matrices, racleurs, guides et lames de couteaux
• Bords de précision, arbres, roues dentées et autres éléments fonctionnels fortement sollicités

En version laminée à froid, les aciers à outils conviennent parfaitement pour les composants de mécanique de précision, tels que :

• Limes d’horlogerie
• Petites fraises
• Contacts à ressort ultra-durs, lames et crayons de précision

Sur le plan formel, l’acier pour roulements (voir ci-dessous) fait également partie du groupe des aciers à outils.

Acier pour roulements

Les aciers pour roulements sont des aciers chromés à teneur élevée en carbone présentant une pureté et une homogénéité structurelles particulièrement élevées. Leur représentant classique est la nuance 100Cr6 (matériau n° 1.3505), un acier contenant environ 1,0 % de carbone et 1,5 % de chrome. Les procédés de métallurgie secondaire tels que le dégazage sous vide réduisent fortement la proportion d’inclusions non métalliques : un facteur décisif pour la haute résistance à la fatigue de ce matériau.

À l’état trempé (env. 60 HRC), le 100Cr6 offre une dureté élevée, une excellente résistance à l’usure et au contact ainsi qu’une structure fine et régulière avec de petits carbures. Cette structure améliore la stabilité dimensionnelle et assure une résistance mécanique homogène.

Les roulements tels que roulements à billes, à rouleaux ou à aiguilles sont principalement fabriqués en 100Cr6 dans le monde entier. Les aciers pour roulements conviennent en outre à tous les composants soumis à des contraintes de compression dynamiques et nécessitant une longue durée de vie. Les applications typiques sont les axes de précision, les arbres, les petites pièces fortement sollicitées telles que les boulons et les aiguilles de valve, les indicateurs à levier, les chasse-pointes ou les instruments de mesure tels que les gabarits.

Sous forme laminée à froid, le 100Cr6 est également transformé en produits en fil plat de haute précision, par exemple pour les petits clips à ressort ou les pièces de couteau qui nécessitent des tolérances dimensionnelles serrées et des propriétés mécaniques réglables de manière ciblée après la trempe.