Économiser temps et énergie dans la production d’acier pour moules

Introduction

L’acier est l’un des matériaux les plus utilisés dans la vie moderne. Il s’agit d’un alliage composé principalement de fer et de carbone, ainsi que de faibles quantités d’éléments divers. Sa résistance, sa ténacité, sa durabilité et sa polyvalence en font un matériau omniprésent dans les ponts et bâtiments, l’industrie automobile, les machines et outils, et de nombreuses autres applications industrielles.

Les aciers utilisés dans la fabrication de moules forment un groupe spécialisé d’aciers; qui servent dans la production de composantes de grandes tailles en plastique, comme les pare-chocs, les tableaux de bord dans les automobiles et autres pièces de grandes tailles en plastique dans les trains ou bateaux. De ce fait, ces aciers sont souvent produits en gros blocs (environ 40 tonnes) afin de répondre aux critères des applications industrielles. Par exemple, les blocs peuvent avoir des dimensions en section transversale d’environ 760 × 1 300 mm et des longueurs dépassant 2 m. Une section transversale typique d’un bloc d’acier pour moules est illustrée à la figure 1.

Après leur fabrication, ces grands blocs d’acier sont usinés afin d’obtenir la forme et les dimensions requises. Les blocs usinés servent ensuite à la fabrication de moules.

Produire de grands blocs d’acier : un défi

Dans le cycle de production de ces grands blocs d’acier, le traitement thermique est essentiel à l'obtention des propriétés mécaniques désirées. Dans ce procédé, le bloc d’acier est d’abord chauffé dans un grand four jusqu’à une température précise. Il est ensuite refroidi rapidement par immersion dans un bassin d’eau. Ce procédé, appelé trempe, augmente la résistance et la dureté de l’acier.

Après la trempe, l’acier est de nouveau réchauffé dans un four à une température inférieure. Cette deuxième étape, appelée « revenu thermique », permet d’ajuster les propriétés mécaniques et de réduire la dureté excessive et les contraintes internes. Le procédé complet de traitement thermique se nomme « trempe et revenu » (TR) (Ren et al., 2022).

Cependant, le procédé TR appliqué à de grands blocs d’acier peut s’avérer long et énergivore en raison de leur épaisseur et de leur masse élevée. Il faut un temps considérable pour que les blocs atteignent la température cible (figure 2). Les grands fours nécessitent un énorme volume de gaz naturel pour chauffer ces blocs massifs. De plus, les longs cycles de chauffage et de refroidissement entraînent des émissions élevées de CO₂, ce qui contribue à la pollution environnementale. Un schéma du procédé TR est présenté à la figure 2.

Une nouvelle approche

Dans cette recherche, nous proposons une nouvelle méthode de traitement thermique des blocs d’acier pour moules, permettant de réduire le temps de traitement et la consommation d’énergie, tout en préservant la qualité et les propriétés mécaniques de l’acier. Au lieu de refroidir rapidement le bloc d’acier chaud par immersion dans un bassin d’eau, le bloc est maintenu à une température précise pendant un certain temps, puis refroidi lentement jusqu’à la température ambiante. Ce procédé est l’austempérage (Ståhlkrantz et al., 2024).

Autre avantage de la méthode proposée : une seule étape de chauffage supplémentaire suffit pour ajuster les propriétés mécaniques de l’acier, au lieu du chauffage conventionnel en deux étapes de la méthode TR. Cette approche permet de réduire le temps de traitement et la consommation d’énergie.

La figure 3 présente un schéma de la méthode de traitement thermique proposée. À noter que cette méthode a été appliquée à de petits blocs d’acier pour moules, car aucun équipement n’est actuellement disponible pour effectuer le même traitement thermique sur des blocs de grande taille.

Du laboratoire aux essais industriels

Avant de mener des essais à l’échelle industrielle, tous les procédés et méthodologies expérimentaux proposés ont d’abord été évalués à l’échelle du laboratoire. À cette fin, nous avons utilisé un dilatomètre, montré à la figure 4. Cet équipement permet de reproduire précisément les cycles de traitement thermique présentés aux figures 2 et 3 à l’aide de petits échantillons d’acier.

Les échantillons dans le dilatomètre étaient cylindriques – 4 mm de diamètre et 10 mm de long. Ces essais à l’échelle de laboratoire ont permis d’évaluer les conditions de traitement thermique avant d’appliquer la méthode proposée à des blocs d’acier de plus grande taille.

Résultats

L’analyse des résultats à l’échelle de laboratoire montre que les propriétés mécaniques obtenues par traitement thermique répondent aux attentes du partenaire industriel. Selon ces résultats, nous avons pu déterminer les principaux paramètres du cycle de traitement thermique, comme le montre la figure 3, et proposer un essai à l’échelle industrielle.

L’essai industriel a été réalisé à l’aide d’un acier de moulage de 203 × 203 × 304 millimètres. Les résultats obtenus lors de cet essai étaient conformes aux résultats à l’échelle de laboratoire et confirment l’efficacité de la méthode de traitement thermique proposée.

Conclusion

Cette recherche a démontré que le cycle de traitement thermique dans la fabrication de l’acier pour moules peut être modifié afin de produire des blocs d’acier aux qualités et propriétés mécaniques similaires, tout en réduisant la durée du procédé. À tout le moins, la deuxième étape de revenu, qui dure plus de 30 heures, peut être entièrement éliminée. Ainsi, la méthode proposée permet de réduire la consommation d’énergie et les émissions de CO₂ tout en augmentant le taux de production. Ces résultats montrent que la nouvelle méthode de traitement thermique permettra de rendre la production d’acier pour moules plus efficace et plus respectueuse de l’environnement. Les détails scientifiques de cette recherche ont été publiés dans un article du Journal of Materials Chemistry and Physics (Tolouei et al., 2025).

Références

Focus Technology Co., L. (n.d.). Focus Technology Co., Ltd. https://changshengda.en.made-in-china.com/product

Ren, J., Li, C., Tu, X., & Shao, Z. (2022). Microstructure of Ultrafine Acicular Bainite and Mechanical Properties of 3Cr2MnNiMo Mold Steel during Austempering. steel research international, 93(9), 2200151. https://doi.org/https://doi.org/10.1002/srin.202200151

 Ståhlkrantz, A., Hedström, P., Sarius, N., & Borgenstam, A. (2024). Influence of Austempering Conditions on Hardness and Microstructure of Bainite in Low-Alloyed Steel. Metallurgical and Materials Transactions A, 55(1), 209–217. https://doi.org/10.1007/s11661-023-07243-1

 Tolouei, E., Saadati, M., Morin, J.-B., Garcia-Mateo, C., & Jahazi, M. (2025). Influence of bainitic transformation temperature on microstructure evolution during isothermal holding and subsequent cooling. Materials Chemistry and Physics, 345, 131248. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2025.131248