Modes d'usure des aciers à outils de travail à chaud

Exemple : Les dégradations sur les matrices de forgeage à chaud

1

Elaborer par : Gana Ahmed

LE forgeage Endommagement par fatigue thermique Endommagement par fatigue mécanique Endommagement par déformation plastique Endommagement par usure abrasive Endommagement par formation de couches de

« transfert »

2

Généralement, les lopins à forger ont une température

supérieure à 1000°C. Ainsi, la température de surface de

l’outil dépasse temporairement la température de 500°C, et

par conséquent les températures de revenu des aciers à outils

conventionnels. Pour éviter des chocs thermiques trop

importants, les matrices sont généralement préchauffées.

Dans le cas du forgeage à chaud des aciers, les matrices sont

préchauffées entre 40 et 350°C.

3

Le procédé de forgeage à chaud comprend trois étapes :

mise en contact brutale de la matrice (préchauffée) et du lopin à

haute température,

suivie d’une phase de mise en forme dont la durée dépend du

procédé et durant laquelle les contraintes appliquées à l’outil sont

importantes.

et enfin refroidissement de l’outil et éjection de la pièce.

4

Ce cycle est répété plusieurs fois et l’endommagement des

outils de forge à chaud se diversifie et se complexifie dans

l’imbrication des mécanismes d’usure : fissuration par

fatigue liée au cyclage thermomécanique, changements

microstructuraux et oxydation du fait du travail à chaud, et

enfin la perte de côtes traduisant l’usure induite par le

frottement entre le lopin et la matrice.

5

En fait, à chaque opération de forgeage, des variations de température

plus ou moins rapides ont lieu à la surface de l’outil. Celles-ci sont dues

aux transferts thermiques entre l’outil et le lopin. Ainsi, des gradients

thermiques transitoires se développent dans l’outil par conduction

thermique. Ces gradients thermiques, estimés par simulation, peuvent

atteindre 250°C/mm dans les zones où l’usure est maximale. Ceci

conduit à la fissuration des surfaces de l’outil par faïençage.

6

Réseau de fissures de fatigue thermique sur une matrice nitrurée

7

Lors du contact avec le métal chaud, les couches superficielles de

l’outil subissent une expansion qui se trouve contrariée par la

sous-couche restée plus froide. Les contraintes de compression

résultantes peuvent conduire à la plastification de la surface.

Ensuite, lors du refroidissement du cycle de forgeage, les couches

superficielles subissent un retrait qui, s’il y a eu déformation

plastique lors du chauffage et du contact, créent des contraintes de

traction importantes susceptibles de conduire à une plastification,

voire une fissuration superficielle.

8

Un outil de forge est une pièce mécanique soumise à des sollicitations

mécaniques et thermiques sévères aggravées par des concentrations de

contraintes de traction dans les congés de raccordement, en particulier en fond de

gravure.

Les contraintes subies par l’outil peuvent se décomposer en contraintes

thermiques d’une part, et mécaniques d’autre part : typiquement sur la partie

centrale de la matrice, des auteurs estiment par simulation (comportement

purement élastique de l’outil) le niveau de contrainte compressive de l’ordre de

2,45 GPa dont 1,4 GPa sont attribués aux contraintes thermiques et 1,05 GPa aux

contraintes mécaniques.

9

Les causes habituelles qui sont à l’origine de l’amorçage d’une fissure d’origine

mécanique sont les suivantes :

Contraintes de traction dans les congés trop élevées : conception de la gamme de

forgeage inadaptée, conception et dimensionnement de l’outil incorrects ou

conditions de travail anormales (mauvaises portées, surcharges).

Matériau d’outillage fragile : mauvais choix de l’acier et de son traitement de

masse (structure incorrecte) ou fragilité induite par un traitement superficiel dur ;

dans ce cas, il sera peut être nécessaire de protéger les zones sensibles lors de la

réalisation du traitement (protection des congés de raccordement en fond de

gravures profondes).

10

L’endommagement par fissuration mécanique peut se présenter

sous deux aspects :

Rupture brutale : l’examen de la cassure révèle un faciès non

oxydé, ceci indique que l’amorçage de la fissure, puis sa

propagation, se sont développées dans un très court laps de

temps. La rupture brutale, si elle se produit, se traduit par une

zone brillante qui suppose un caractère fragile de la rupture.

Fissuration progressive : la zone de fissuration progressive

apparaît oxydée et polluée.

11

Les sollicitations thermomécaniques sévères créent des conditions propices au

dépassement de la limite d’élasticité de l’outil à la température de travail. Ceci

génère une plastification parfois assimilée à tort à du fluage.

Ce sont les surfaces actives très sollicitées à la fois thermiquement et

mécaniquement (écoulement intense du métal forgé) qui sont concernées. La

plastification intéresse une épaisseur comprise entre 1 et 250 μm. Seul un

examen micrographique permet de l’identifier avec certitude. La plastification

superficielle est fréquemment associée à des fissures de fatigue thermique, à des

évolutions métallurgiques des couches superficielles des outils et à de l’usure par

abrasion. La consolidation des surfaces actives des outils par un traitement ou

revêtement superficiel est une voie de solution à ce type d’endommagement.

12

A - X32CrMoV12-28 B - X38CrMoV5-3

13

De façon générale, on observe l’usure abrasive dans les zones de fort

glissement : l’écoulement de matière du lopin à la surface de la matrice

induit des vitesses de glissement élevées (jusqu’à 2-3 m/s ) qui,

conjuguées à l’application de fortes charges, conduisent à de l’abrasion.

En forgeage à chaud, cela se traduit essentiellement par un enlèvement

de matière, jusqu’à 2 mm au rayon, qui peut être assimilé à un micro-

usinage l’abrasion est également sensible à la géométrie des matrices.

L’abrasion, comme la déformation plastique, sera localisée sur les rayons

de matrices dont la raideur est moindre et favorise l’écoulement de la

matière de la matrice.

14

Usure par abrasion de la surface d'une matrice

15

L’usure est conditionnée par la dureté et la structure à la

température de travail de l’outil. Au niveau du procédé de

forgeage, la température superficielle de l’outil, la pression

normale, la nature de l’interface (présence ou non d’oxydes

durs) et la longueur de glissement influencent l’usure

abrasive.

16

Les surfaces actives des outils en service sont fréquemment recouvertes d’une

pellicule plus ou moins adhérente constituée essentiellement d’oxydes issus du

métal forgé et de résidus éventuels de lubrification. L’épaisseur de cette couche,

appelée couche de transfert, peut varier de quelques micromètres à plusieurs

dizaines de micromètres.

La formation de couches de transfert est liée à la forte activité chimique des

surfaces en contact du fait de la température élevée, de la pression et de la

déformation plastique. Celle-ci met à nu le métal forgé qui présente alors une

surface très réactive (rupture des films d’oxydes du lopin). Une oxydation de la

surface des outils a généralement lieu.

17

THÈSE : ÉTUDE DU FROTTEMENT ET DE L’USURE D'ACIER À OUTILS DE TRAVAIL À CHAUD

PAR : Olivier BARRAUl’Institut National Polytechnique de ToulouseSpécialité Sciences et Génie des Matériaux

18