Les moules en carbure sont un type largement utilisé dans les moules de production industrielle fabriqués à partir de matériaux comprenant principalement l'acier au carbone, l'acier à outils allié, l'acier à outils à haute teneur en carbone et en chrome, l'acier rapide, etc. Parmi eux, le carbure est un matériau composite haute performance dans le domaine des nouveaux matériaux de moulage. Dans le texte suivant, je présenterai les types, les nuances et les principes de sélection du carbure cémenté utilisé dans les moules de formage de plastique, et j'expliquerai les méthodes de préparation et de traitement des moules en carbure cémenté.

Microstructure et nuances de carbure

Les propriétés des corps en carbure cémenté sont déterminées par leur microstructure. La figure 1 montre des images SEM de carbure cémenté avec différentes tailles de grains, et la figure 2 montre la courbe de relation entre la dureté et la taille des grains. Plus la taille des grains de la phase dure du carbure cémenté est grande, plus la dureté est faible et plus la ténacité est élevée, et vice versa. Actuellement, les tailles de grains de carbure cémenté largement utilisées dans la préparation des moules comprennent les grains fins, les grains moyens, les grains grossiers et les grains ultra-grossiers. La taille de grain appropriée est sélectionnée en fonction des différentes exigences de résistance à l'usure et de résistance aux chocs. De plus, lorsque la taille des grains de la phase dure du carbure cémenté atteint le niveau nanométrique, elle peut atteindre un état ? doublement élevé ? de dureté élevée et de ténacité élevée, ce qui donne un carbure cémenté à ultra-haute résistance.

Outre la granulométrie, les différentes structures organisationnelles du carbure cémenté influencent également ses propriétés. Le carbure cémenté à structure graduelle et le carbure cémenté à structure double, couramment utilisés, ont des propriétés particulières et sont adaptés à des applications spécifiques. Par exemple, le carbure cémenté avec une granulométrie fine en surface et une granulométrie plus grossière à l'intérieur convient à la fabrication d'outils d'emboutissage profond et d'outils de poin?onnage.

 

Moule de formage de plastique fabriqué en carbure

Le tableau 1 présente les paramètres de performance de plusieurs nuances couramment utilisées de carbure cémenté et d'aciers pour moules traditionnels. Les paramètres du tableau 1 sont spécifiques à un certain processus. En utilisation réelle, les performances doivent être déterminées en fonction du processus de préparation et des traitements ultérieurs pour garantir qu'elles répondent aux exigences de production. Cependant, à partir du tableau 1, on peut observer que le carbure cémenté a une dureté plus élevée que les aciers pour moules mais une résistance aux chocs plus faible, et cette tendance devient plus importante à mesure que la teneur en Co diminue.

Outre les différences de performances, la production de carbure cémenté pose de plus grandes difficultés que celle des aciers pour moules et entra?ne un co?t unitaire plus élevé pour les composants. Le co?t de fabrication moyen des moules en carbure est environ 2 à 4 fois supérieur à celui des moules en acier ordinaire. Par conséquent, leur utilisation dans la production en petites séries, avec des formes simples et des charges légères, entra?nerait des co?ts de production excessivement élevés pour les pièces formées. Ce qui est important, c'est que la durée de vie des moules en carbure peut atteindre 20 à 40 fois celle des moules en acier ordinaire et 5 à 10 fois celle des aciers pour moules traditionnels. La durée de vie de la rectification à un seul bord est 10 à 30 fois plus longue que celle des moules en acier ordinaire. Cela réduit efficacement le nombre de réparations de moules, améliore l'efficacité de la production et, par conséquent, l'utilisation de moules en carbure cémenté pour des pièces à grande production et à haute précision peut réellement réduire le co?t de traitement moyen par pièce formée.

Dans les moules de formage de plastique, les moules de poin?onnage et d'extrusion sont couramment utilisés pour une production continue à grande échelle et nécessitent une dureté élevée pour les composants du moule. Par conséquent, ce qui suit présentera principalement les avantages d'application et de performance du carbure cémenté dans ces deux types de moules.

Matrices d'emboutissage en carbure

L'emboutissage est un procédé de fabrication qui utilise des machines et des moules sous pression pour appliquer des forces externes sur des t?les, des bandes, des tuyaux, des profilés et d'autres pièces brutes, les obligeant à se séparer ou à subir une déformation plastique afin d'obtenir la forme et les dimensions souhaitées des pièces. L'emboutissage est largement utilisé dans diverses industries en raison de la grande complexité, de la grande précision de répétabilité et de la grande efficacité de production des pièces qu'il produit.

Dans les moules d'emboutissage, des outils tels que des matrices progressives et des matrices de poin?onnage à grande vitesse sont utilisés pour la production à grande échelle. Ces moules supportent des forces d'impact à haute fréquence à long terme, des forces de cisaillement et des forces de frottement. Par conséquent, afin de garantir la précision dimensionnelle et de forme des pièces produites ainsi que la durée de vie des moules, des matériaux à haute dureté, à haute résistance, à bonne résistance à la fatigue et à propriétés anti-adhérentes sont nécessaires pour la préparation de tels moules. Le carbure cémenté est l'un des matériaux appropriés à cet effet.

Moules en carbure pour le processus de séparation

L'utilisation de matériaux à haute dureté et résistance à l'usure, tels que le carbure cémenté, pour la fabrication des matrices de découpage peut prolonger la durée de vie des moules. Selon les statistiques, la durée de vie des matrices de découpage en carbure cémenté est 20 à 50 fois plus longue que celle des matrices de découpage en acier, et leur durée de vie de meulage à un seul bord peut atteindre des millions de coups.

Cependant, le carbure cémenté a une résistance aux chocs plus faible. Pour éviter une défaillance prématurée des matrices de découpage en carbure cémenté, des nuances appropriées de carbure cémenté sont sélectionnées en fonction des exigences de résistance aux chocs. Les nuances courantes comprennent YG8, YG8X (X représente un grain fin), YG11, etc. Dans le cas du découpage de plaques épaisses, à mesure que l'épaisseur de la plaque augmente, le jeu entre le poin?on et la matrice augmente également. Pendant le processus de découpage, le matériau de la plaque génère des déchirures importantes et les bords du poin?on et de la matrice subissent une contrainte radiale plus importante. L'épaisseur accrue de la plaque entra?ne également une force d'impact accrue. Pour éviter les fissures et la défaillance prématurée des moules, il convient de sélectionner du carbure cémenté à teneur en cobalt plus élevée et à granulométrie plus grossière, comme YG15, YG15C (C représente un grain grossier), YG18C, YG20, YG25, etc.

Les nuances de carbure cémenté recommandées pour différentes conditions de travail dans les matrices de découpage sont présentées dans le tableau 2. Par exemple, YG15 et YG11 sont utilisés pour fabriquer les composants de poin?on et de matrice, respectivement, pour les matrices de découpage à contour simple ou les matrices de découpage en forme de bo?te. Pour les matrices de découpage de forme complexe avec le même matériau et la même épaisseur, il convient d'utiliser du carbure cémenté à teneur en cobalt plus élevée, comme YG20 et YG15.

Matrices de traitement en carbure

Le carbure cémenté largement utilisé dans la préparation des moules de formage est le carbure cémenté tungstène-cobalt. Les nuances standard nationales courantes comprennent YG8, YG11, YG15, YG20, YG25, YG30, etc. Comme l'indiquent les nuances recommandées dans le tableau 2, dans les matrices d'emboutissage, en particulier les pièces embouties profondes, où il existe un frottement important entre les composants du moule et la pièce brute, des nuances à faible teneur en cobalt sont choisies pour obtenir une dureté et une résistance à l'usure élevées, telles que YG8 ou YG11. Dans les matrices de pliage, où les moules sont soumis à des forces d'impact importantes, il est recommandé de sélectionner des nuances à teneur en cobalt plus élevée pour obtenir une meilleure ténacité aux chocs, telles que YG11 ou YG15.

Après avoir sélectionné la nuance appropriée, lors de la conception des moules, si la taille du moule est trop grande, cela peut entra?ner des difficultés et des co?ts élevés dans la fabrication de l'ensemble du moule en carbure cémenté. Par conséquent, il est courant d'utiliser du carbure cémenté pour préparer des composants de moule ou des inserts, comme illustré dans la figure 1. Les figures 3(a) et 3(c) illustrent des moules avec des dimensions radiales plus petites, ce qui permet d'utiliser du carbure cémenté pour fabriquer l'ensemble du moule. D'autre part, dans les figures 3(b) et 3(d), où les moules ont des dimensions globales plus grandes, il est conseillé d'utiliser du carbure cémenté pour fabriquer les composants de travail du moule ou les pièces ayant des exigences de performance plus élevées. Cette approche peut réduire les co?ts de fabrication du moule et les difficultés de traitement.

Filières d'extrusion en carbure

L'extrusion à froid provoque une déformation importante de la billette à température ambiante, ce qui entra?ne un écrouissage, une augmentation de la dureté et de la résistance de la pièce finale. Elle offre également une bonne qualité de surface et permet un usinage précis de pièces à sections transversales complexes, de dents internes, de trous borgnes et d'autres caractéristiques difficiles à traiter par d'autres moyens. Par conséquent, l'extrusion à froid trouve une large application et est couramment utilisée pour produire diverses fixations, telles que des boulons et des composants automobiles.

Les exigences matérielles pour le poin?on dans l'extrusion à froid comprennent une bonne résistance aux chocs, une bonne résistance à la flexion, une bonne résistance à la compression, une bonne résistance à la fatigue et une bonne stabilité thermique. Par conséquent, les poin?ons pour l'extrusion à froid sont généralement fabriqués à partir de carbure cémenté tungstène-cobalt à haute teneur en cobalt, tel que YG15, YG20, YG20C, YG25.

Par rapport au poin?on, la matrice d'extrusion à froid est soumise à des forces d'impact plus faibles mais doit résister à des frottements importants et à des contraintes de traction radiales importantes. Par conséquent, il est conseillé de choisir un carbure cémenté plus dur, tel que le carbure cémenté tungstène-cobalt à faible teneur en cobalt et à granulométrie fine, tel que YG8, YG10, YG15X, ou d'utiliser un carbure cémenté tungstène-titane-cobalt (YT) avec une dureté supérieure à celle du carbure cémenté tungstène-cobalt, tel que YT15. Cependant, ces deux types de carbure cémenté ont une faible ténacité et une grande sensibilité aux contraintes, ce qui les rend inadaptés au formage de pièces complexes.

La figure 4 montre le poin?on, les inserts de poin?on et de matrice et les bagues de précharge des moules d'extrusion en carbure cémenté.

Filières d'extrusion à chaud en carbure

La durée de vie du carbure cémenté utilisant l'acier GW1 comme liant peut atteindre plus de 1 000 pièces, tandis que l'utilisation du liant américain D43 peut atteindre plus de 4 000 pièces. En utilisant du carbure cémenté lié à l'acier RW40 et en le soumettant à un traitement thermique suivi d'un traitement de boruration, la durée de vie peut être améliorée de 10 à 15 fois par rapport à l'acier de matrice traditionnel. L'utilisation de carbure cémenté lié à l'acier de la série DT, qui est forgé et traité thermiquement, en remplacement de l'acier moulé dans les matériaux de matrice pour les billes d'acier d'extrusion, peut augmenter la durée de vie de la matrice de près de 20 fois.

De plus, en raison du faible coefficient de dilatation thermique du carbure cémenté, il est bénéfique pour améliorer la précision dimensionnelle et de forme des pièces produites. Cependant, le carbure cémenté tungstène-cobalt est sensible à la concentration de contrainte et ne convient pas à l'extrusion de produits de forme complexe. Il est couramment utilisé dans la production de diverses pièces standard, de profilés de forme simple et d'autres produits. Par exemple, dans les matrices d'extrusion pour profilés de tubes en aluminium, le carbure cémenté tungstène-cobalt tel que YG8 peut être utilisé, avec une température de travail d'environ 500 °C, et il peut traiter 11 000 à 23 000 kg de tubes en aluminium au cours de sa durée de vie. YG15 et YG20 sont couramment utilisés dans les inserts en carbure cémenté pour l'extrusion de tubes plats en aluminium à flux parallèle.

 

Conclusion

La dureté élevée, la résistance élevée à la fatigue et la résistance élevée à l'usure du carbure cémenté garantissent la durée de vie du moule. Sa dureté élevée à chaud, son faible coefficient de dilatation linéaire et sa bonne résistance à l'oxydation garantissent la précision dimensionnelle et la stabilité des moules en carbure cémenté dans des conditions d'alternance froid-chaud et de température élevée. Le carbure cémenté ne nécessite pas de traitement thermique, il n'y a donc aucun problème de changement de dimension ou de dureté au fil du temps. Par conséquent, le carbure cémenté convient à la préparation de moules de formage de plastique tels que les matrices de poin?onnage et les matrices d'extrusion. Pour les matrices d'emboutissage profond, les matrices concaves d'extrusion et d'autres applications avec des exigences de résistance à l'usure élevées, le carbure cémenté tungstène-cobalt à faible teneur en cobalt est généralement utilisé. Lorsqu'il s'agit de matrices de poin?onnage, de matrices de pliage, de matrices convexes d'extrusion et d'autres applications avec des exigences de ténacité élevées, le carbure cémenté à haute teneur en cobalt ou le carbure cémenté lié à l'acier est généralement utilisé. Actuellement, le carbure cémenté le plus utilisé commercialement dans les moules en Chine est le carbure cémenté tungstène-cobalt, suivi du carbure cémenté lié à l'acier et du carbure cémenté tungstène-titane-cobalt.

Le volume de production de carbure cémenté dans notre entreprise n'a cessé d'augmenter. Cependant, nous avons également identifié une série de problèmes concernant l'application actuelle du carbure cémenté dans les moules. Par exemple, les moules en carbure cémenté sont co?teux, ce qui les rend adaptés uniquement aux moules haut de gamme à volume élevé et de haute précision. En raison des limitations du processus de fabrication du carbure cémenté, la taille des ébauches en carbure cémenté est relativement petite. Actuellement, la dimension radiale est généralement inférieure à 100 mm, ce qui limite également la taille des moules en carbure cémenté. Le carbure cémenté est difficile à traiter, et même avec des méthodes d'usinage avancées, certains défis subsistent.