Couches de transfert et tribologie du laminage à froid des aciers inoxydables

• Auteur / Autrice : Bruno Rizoulieres
• Direction : Pierre Montmitonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : ENSMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier inoxydable

Tribologie (technologie)

Résumé

L'état de surface des produits plats inoxydables laminés à froid est conditionné par le régime de lubrification dans l'emprise du laminoir et par les caractéristiques de la couche de transfert qui se forme inéluctablement sur les cylindres de travail. La maîtrise du transfert est particulièrement importante pour l'obtention d'un produit fini en accord avec les exigences d'état de surface de l'aspect ''recuit brillant''. Sur laminoir pilote équipé de cylindres polis miroir, des essais de formation de couches de transfert ont été menés, sur des bandes ferritiques Z8C17 et austénitiques Z6CN18-9 à l'état recuit brillant, avec une lubrification à l'huile entière. Nos observations peuvent être synthéthisées dans un diagramme de film lubrifiant en entrée, et de la température, et de la température de sortie de la bande. Ainsi, en fonction des paramètres de laminage (vitesse, réduction) : des couches brunes, minces et lisses (rugosité des cylindres d etravail pratiquement inchangée) sont obtenues en régime de lubrification mixte / limite (conditions de laminages stables). Leur processus de formation correspond à un mode d'usure douce de la bande par transfert puis oxydation de fines particules sur les cylindres, des couches gris métal, épaisses et très rugueuses (2 fois plus rugueuses dans le cas austénitique que dans le cas ferritique) résultent de la rupture du film lubrifiant. Il s'agit d'un mode d'usure sévère avec transfert de grosses particules métalliques (2 fois plus épaisses pour l'acier austénitique que pour l'acier ferritique) arrachée à la bande laminée. L'amorçage du processus de transfert est favorisé par les accidents topographiques de la surface des cylindres (micro-cavités ou micro-aspérités saillantes). C'est pourquoi, l'utilisation de cylindres de travail rugueux accélère considérablement la formation des couches de transfert épaisses. Par ailleurs : à l'état recuit brillant, l'acier inoxydable ferritique se transfère pour des taux de réduction plus faibles que l'acier inoxydable austénitique. La simulation sur laminoir pilotes de passes de finition de gammes industrielles montre qu'un pré-écrouissage élargit le domaine d'existence des couches brunes tant vers les forts que vers les faibles taux de réduction. Au cours d'une gamme de laminage, le transfert sévère est partiellement réversible lorsqu'on lubrifie avec une huile entière conventionnelle : on assiste à un lissage par effritement et à une oxydation de la couche de transfert épaisse. Grâce à leur pouvoir réducteur de frottement très élevé, à leur très bon pouvoir caloporteur et à leur effet détergent, les émulsions huile-dans-eau représentent une voie de progrès très attrayante pour contrôler l'échauffement dans l'emprise et maîtriser le niveau de transfert dans des conditions de laminage plus sévères. Sur laminoir pilote, nous avons vérifié que leur aptitude à engendrer un état de surface brillant au cours de gammes sévères était comparable à celle d'une huile entière au cours de gammes plus douces.

Surface aspect of cold rolled stainless steel strips depends critically on the lubrication regime in the roll bite and on the characteristics of transfer layers (or ''roll coating'') built up on work rolls. Controlling transfer phenomena is very important to achieve a finished product in accordance with ''bright anneal'' aspect specifications. Polished rolls and neat oil lubricants were used for transfer layer studies on an experimental rolling mill, on both ferritic and austenitic stainless steels in the ''bright anneal'' state. The observations and measurements can be analyzed in terms of lubricant film thickness at the inlet of the roll bite and stripe surface temperature at the outlet. Thus, depending on rolling conditions (speed, reduction) : Mixed boundary lubrication regime (stable mild rolling conditions) builds up a brown, thin, smooth layer (no roll roughness change in practice). It corresponds to a mild wear process of the strip, with tiny metal particles being transferred onto the roll surface and then oxidized. Lubricant film failure induces a thick, rough layer of metallic grey colour (''austenitic'' layers are about twice as rough as 'effritic'' ones). This is severe strop wear, whereby big particles are scraped off the strip, transferred to the roll surface (''austenitic'' particles are about twice as thick as ''ferritic'' ones). Roll surface topographical defects (micro-cavities and micro-asperities) promote this transfer phenomenon. This is why rough work rolls increase severe build-up kinetics significantly. Furthermore : In the ''bright anneal'' state, the reduction that initiates transfer is lower for ferritic tha for austenitic grades. Simulation of industrial finishing passes on the experimental rolling mill proved that strip-work-hardening increases on both sides the range of reduction where midl transfer is obtained. During the rolling schedule, with usual neat oil lubricants, severe transfer is partly reversible : thick layers may be smoothed by wear and oxidation. Owing to very good friction-reduction properties, very high cooling power and detergency, o/w emulsions are a very attractive way of controlling roll bite heating and transfer under much more severe rolling conditions : trials on the experimental rolling mill proved their ability to generate the same gloss after ''severe'' schedules (increased reduction per pass) as standard lubricants during milders schedules.