Propriétés des aciers de moulage sous pression : Guide technique sur la résistance et l'aptitude au formage

TL ;DR

L'acier de moulage sous pression (PHS), également connu sous le nom d'acier embouti à chaud ou acier au bore, est un alliage ultra-résistant (généralement du 22MnB5) conçu pour les composants de sécurité automobile. Il est fourni dans un état malléable ferrito-perlitique (résistance élastique ~300–600 MPa), mais se transforme en une structure martensitique exceptionnellement dure (résistance à la traction 1300–2000 MPa) après avoir été chauffé à ~900 °C et trempé dans une matrice refroidie. Ce procédé élimine le ressaut élastique, permet des géométries complexes et autorise une réduction significative du poids dans les structures critiques de collision telles que les montants A et les pare-chocs.

Qu'est-ce que l'acier de moulage sous pression (PHS) ?

L'acier de moulage par pression (PHS), fréquemment appelé dans l'industrie automobile acier embouti à chaud ou acier formé à chaud, représente une catégorie d'aciers alliés au bore qui subissent un procédé thermomécanique spécialisé. Contrairement aux aciers emboutis à froid conventionnels, formés à température ambiante, le PHS est chauffé jusqu'à atteindre un état austénitique, puis formé et trempé simultanément dans un outil refroidi.

La nuance standard pour ce procédé est 22MnB5 , un alliage de carbone, manganèse et bore. L'ajout de bore (généralement entre 0,002 et 0,005 %) est essentiel car il améliore considérablement la trempabilité de l'acier, garantissant ainsi qu'une microstructure entièrement martensitique peut être obtenue même à des vitesses de refroidissement modérées. Sans bore, le matériau pourrait se transformer en phases plus tendres comme la bainite ou la perlite durant la phase de trempe, ne parvenant pas à atteindre la résistance cible.

La transformation fondamentale qui confère à l'acier PHS sa valeur est microstructurale. Livré sous forme d'une tôle douce ferrito-perlitique, le matériau est facile à découper et à manipuler. Lors du procédé de formage à chaud, il est chauffé au-dessus de sa température d'austénitisation (généralement autour de 900–950°C). Lorsque la tôle chaude est serrée dans la matrice, elle est refroidie rapidement (à des taux dépassant 27°C/s). Ce refroidissement rapide évite la formation de microstructures plus tendres et transforme directement l'austénite en martensite , la forme la plus dure de la structure de l'acier.

Propriétés mécaniques : À la livraison vs. Durci

Pour les ingénieurs et les spécialistes des achats, l'aspect le plus critique des propriétés de l'acier de formage à chaud est la différence spectaculaire entre son état initial et son état final. Cette dualité permet une mise en forme complexe (lorsqu'il est mou) et des performances extrêmes (lorsqu'il est dur).

Le tableau ci-dessous compare les propriétés mécaniques typiques de la nuance standard 22MnB5 avant et après le procédé de durcissement par pressage :

Analyse de la limite d'élasticité : La limite d'élasticité triple généralement au cours du procédé. Alors que le matériau à l'état livré se comporte de manière similaire à un acier structurel standard, la pièce finie devient rigide et résistante à la déformation, ce qui la rend idéale pour les cages de sécurité anti-pénétration.

Dureté et usinabilité : La dureté finale de 470–510 HV rend le détourage mécanique ou le poinçonnage extrêmement difficiles et sujets à l'usure des outils. Par conséquent, la plupart des opérations de détourage sur les pièces PHS finies sont effectuées par découpe laser (voir Données techniques SSAB ) ou à l’aide de matrices spéciales de découpage à chaud immédiatement avant que la pièce ne refroidisse complètement.

Principales nuances PHS et composition chimique

Bien que le 22MnB5 reste la nuance phare de l'industrie, la demande croissante de composants encore plus légers et plus résistants a conduit au développement de plusieurs variantes. Les ingénieurs choisissent généralement les nuances en fonction de l'équilibre entre la résistance maximale et la ductilité nécessaire pour l'absorption d'énergie.

• PHS1500 (22MnB5) : La nuance standard avec une résistance à la traction d'environ 1500 MPa. Elle contient environ 0,22 % de carbone, 1,2 % de manganèse et des traces de bore. Elle allie résistance et ténacité suffisante pour la plupart des applications de sécurité.
• PHS1800 / PHS2000 : Des nuances plus récentes à ultra-haute résistance qui portent la résistance à la traction jusqu'à 1800 ou 2000 MPa. Elles atteignent une résistance accrue grâce à une teneur légèrement plus élevée en carbone ou à une composition modifiée (par exemple silicium/niobium), mais peuvent présenter une ténacité réduite. Elles sont utilisées pour des pièces où la résistance à l'effraction est la priorité absolue, comme les longerons de pare-chocs ou les traverses de toit.
• Nuances ductiles (PHS1000 / PHS1200) : Également appelées aciers trempés par emboutissage (PQS), ces nuances (comme PQS450 ou PQS550) sont conçues pour conserver un allongement élevé (10–15 %) après durcissement. Elles sont souvent utilisées dans des « zones souples » d'un montant B afin d'absorber l'énergie du choc plutôt que de la transmettre.

La composition chimique est strictement contrôlée afin d'éviter des problèmes comme la fragilisation par hydrogène, particulièrement pour les nuances de plus haute résistance. La teneur en carbone est généralement maintenue en dessous de 0,30 % pour préserver une soudabilité raisonnable.

Revêtements et résistance à la corrosion

L'acier non revêtu s'oxyde rapidement lorsqu'il est chauffé à 900 °C, formant une couche dure qui endommage les matrices d'estampage et nécessite un nettoyage abrasif (grenaillage) après mise en forme. Pour éviter cela, la plupart des applications modernes de PHS utilisent des tôles prérevêtues.

Aluminium-Silicium (AlSi) Il s'agit du revêtement dominant pour l'estampage à chaud direct. Il empêche la formation de calamine pendant le chauffage et assure une protection anticorrosion de type barrière. La couche AlSi forme un alliage avec le fer de l'acier durant la phase de chauffage, créant une surface robuste capable de résister au frottement glissant contre la matrice. Contrairement au zinc, il ne fournit pas une protection galvanique (auto-réparatrice).

Revêtements en zinc (Zn) Les revêtements à base de zinc (galvanisés ou galvannealisés) offrent une protection cathodique supérieure contre la corrosion, ce qui est précieux pour les pièces exposées à des environnements humides (comme les bas de caisse). Cependant, le poinçonnage standard à chaud peut provoquer La fragilisation par métal liquide (LME) , où le zinc liquide pénètre dans les joints de grains de l'acier, provoquant des microfissures. Des procédés spécialisés « indirects » ou des techniques de « pré-refroidissement » sont souvent nécessaires pour manipuler en toute sécurité les aciers press-formés revêtus de zinc.

Principaux avantages techniques

L'adoption des propriétés des aciers press-formés a été motivée par des défis techniques spécifiques dans la conception des véhicules. Ce matériau offre des solutions que les aciers à haute résistance et faible teneur en alliage (HSLA) ou les aciers biphasés (DP) formés à froid ne peuvent égaler.

• Allègement extrême : En exploitant des résistances de 1500 MPa ou plus, les ingénieurs peuvent réduire l'épaisseur des pièces (réduction d'épaisseur) sans compromettre la sécurité. Une pièce qui avait autrefois 2,0 mm d'épaisseur en acier standard pourrait être réduite à 1,2 mm en PHS, permettant ainsi un gain de poids significatif.
• Ressort nul : Dans le poinçonnage à froid, les aciers à haute résistance ont tendance à « reprendre leur forme initiale » après l'ouverture du moule, ce qui rend difficile la précision dimensionnelle. Le PHS se forme à chaud et à l'état mou (austénite) puis durcit sous contrainte dans le moule. Cela verrouille la géométrie en place, entraînant pratiquement aucun rebond élastique et une précision dimensionnelle exceptionnelle.
• Géométries complexes : Étant donné que le formage s'effectue lorsque l'acier est malléable (~900 °C), des formes complexes avec des profondeurs importantes et des rayons serrés peuvent être réalisées en une seule passe — des géométries qui se fissureraient ou se casseraient si on tentait de les produire avec de l'acier ultra-haute résistance à froid.

Applications automobiles typiques

Le PHS est le matériau privilégié pour la « cage de sécurité » des véhicules modernes — la structure rigide conçue pour protéger les occupants lors d'un impact en empêchant l'intrusion dans l'habitacle.

Composants critiques

Les applications standard comprennent Piliers A, piliers B, longerons de toit, renforts de tunnel, bas de caisse et longerons anti-intrusion de portes . Plus récemment, les fabricants ont commencé à intégrer le PHS dans les boîtiers de batterie des véhicules électriques afin de protéger les modules contre les chocs latéraux.

Propriétés personnalisées

La fabrication avancée permet un « trempage sur mesure », où certaines zones spécifiques d'une pièce unique (comme la partie inférieure d'un montant B) sont refroidies plus lentement pour rester souples et ductiles, tandis que la section supérieure devient entièrement dure. Cette combinaison optimise la pièce à la fois pour résister à la pénétration et absorber l'énergie.

Pour les fabricants souhaitant mettre en œuvre ces matériaux avancés, il est essentiel de s'associer à des transformateurs spécialisés. Des entreprises comme Shaoyi Metal Technology proposent des solutions complètes de pièces embouties automobiles, capables de répondre à des exigences élevées en termes de tonnage (jusqu'à 600 tonnes) et de gérer les besoins précis en outillage pour des composants automobiles complexes, allant de la prototypage rapide à la production de masse selon les normes IATF 16949.

Conclusion

Les propriétés de l'acier embouti et durci représentent une synergie essentielle entre métallurgie et procédé de fabrication. En exploitant la transformation de phase de la ferrite en martensite, les ingénieurs obtiennent un matériau suffisamment formable pour des conceptions complexes, tout en étant assez résistant pour sauver des vies. Alors que les nuances évoluent vers 2000 MPa et au-delà, l'emboutissage à chaud restera un pilier des stratégies de sécurité automobile et d'allègement.

Questions fréquemment posées

quelle est la différence entre le forgeage à chaud et l'emboutissage à chaud ?

Il n'y a aucune différence ; les termes sont utilisés de manière interchangeable. « Emboutissage à chaud » désigne le procédé de durcissement métallurgique qui se produit dans la presse, tandis que « forgeage à chaud » fait référence à la méthode de mise en forme. Les deux décrivent la même séquence de fabrication utilisée pour produire des pièces en acier martensitique à haute résistance.

pourquoi ajoute-t-on du bore à l'acier d'emboutissage à chaud ?

Le bore est ajouté en petites quantités (0,002 à 0,005 %) pour augmenter considérablement la trempabilité de l'acier. Il retarde la formation de microstructures plus tendres comme la ferrite et la perlite pendant le refroidissement, garantissant ainsi que l'acier se transforme entièrement en martensite dure, même aux vitesses de refroidissement obtenues dans les matrices de forgeage industriel.

3. Peut-on souder l'acier embouti durci ?

Oui, l'acier embouti durci peut être soudé, mais cela nécessite des paramètres spécifiques. Étant donné que ce matériau présente généralement une teneur en carbone d'environ 0,22 %, il est compatible avec le soudage par résistance par points (SRW) et le soudage au laser. Toutefois, le soudage ramollit légèrement la zone thermiquement affectée (ZTA), ce qui doit être pris en compte dans la conception. Pour les aciers revêtus AlSi, le revêtement doit être éliminé (par ablation laser) ou soigneusement géré pendant le soudage afin d'éviter toute contamination du bain de soudure.