Influence du couplage frottement-oxydation sur l’usure d’un acier à outil de travail à chaud : développement d’un tribomètre spécifique au cyclage de matriçage

Influence of friction-oxidation coupling on wear of a hot-working tool steel : development of a tribometer dedicated to hot-forging cycling

• Auteur / Autrice : Mohamed Kchaou
• Direction : Yannick Desplanques, Riadh Elleuch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 17/12/2010
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille en cotutelle avec École nationale d'ingénieurs de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)
• Jury : Président / Présidente : Foued El-Halouani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Denape, Mohamed Regaieg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maher Dammak, Caroline Richard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tribologie (technologie)

Frottement

Oxydation

Travail à chaud

Acier rapide

Moules (travail des métaux)

Mots clés libres

Acier à outil

Couplage frottement-oxydation

Tribomètre spécifique

Hot forging steel

Friction-oxidation coupling

Specific tribometer

Résumé

L’amélioration de la durée de vie des outillages de mise en forme à chaud constitue un enjeu industriel important et encore mal maitrisé. En effet, les sollicitations induites lors de la mise en forme mettent en jeu des couplages impliquant des phénomènes thermiques, mécaniques, tribologiques et physicochimiques. Les modes de dégradation engendrés sont multiples, principalement par déformation plastique, par fatigue thermomécanique, par frottement et par oxydation. Les dégradations par frottement demeurent parmi les plus pénalisantes et les plus difficiles à appréhender et à maîtriser compte tenu de la complexité des couplages mis en jeu.Cette thèse aborde l’usure de l’acier à outil X40CrMoV5-1 dans le cas du matriçage à chaud du laiton. Les mécanismes d’endommagement et d’usure ont été analysés par le biais d’une expertise de matrices usées en production. Elle révèle différents types de dégradations, activés selon la localisation et l’exposition des surfaces aux sollicitations cycliques de matriçage. Elle a permis d’établir un scénario d’usure par abrasion à trois corps entretenu par le cyclage et dans lequel les oxydes du laiton et de l’acier à outil sont déterminants.L’oxydation de l’acier à outil et son comportement tribologique dans un état pré-oxydé ont été étudiés. Un essai original est proposé pour étudier l’influence du cyclage de matriçage sur le couplage frottement oxydation et ses conséquences sur l’usure. Un tribomètre spécifique a été développé et mis au point. Les essais de frottement reposent sur une analogie avec le cycle de matriçage, sans reproduire la mise en forme, et un contact conforme favorable à la formation et au piégeage des oxydes

Life time improvement of hot working tools becomes one of the major industrial issue unsufficiently mastered. Indeed, loadings induced by hot forming involve coupling between thermal, mechanical, tribological and physicochemical phenomena. They lead to multiple degradation modes (mainly by plastic deformation, thermo-mechanical fatigue, friction and oxidation). Friction induces one of the most detrimental damage, which is difficult to apprehend and to control allowing for the complexity of engaged couplings.This thesis deals with wear of tool steel X40CrMoV5-1 in the case of hot forging of brass. Damage and wear mechanisms were analyzed through an expertise of matrices after used in production. It reveals different types of damage, activated thanks to location and exposure of the matrix surface to cyclic loadings induced during forging. A scenario of a three-body abrasion is proposed maintained by working cycles and wherein brass and toll steel oxides are crucial.Oxidation and pre-oxidized tribological behavior of tool steel were investigated. An original test is proposed to study the influence of hot working cycling on friction-oxidation coupling and its effects on the wear of tool steel. A specific tribometer has been developed. The friction tests are defined by analogy with the hot-working cycle, without reproducing the forming process, favoring formation and trapping of oxides inside the contact