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Modes d'usure des aciers outils de travail chaudExemple : Les dgradations sur les matrices de forgeage chaud Elaborer par : Gana Ahmed1

LE forgeage Endommagement par fatigue thermique Endommagement par fatigue mcanique Endommagement par dformation plastique Endommagement par usure abrasive Endommagement par formation de couches de transfert

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Gnralement, les lopins forger ont une temprature suprieure 1000C. Ainsi, la temprature de surface de loutil dpasse temporairement la temprature de 500C, et

par consquent les tempratures de revenu des aciers outilsconventionnels. Pour viter des chocs thermiques trop importants, les matrices sont gnralement prchauffes.

Dans le cas du forgeage chaud des aciers, les matrices sontprchauffes entre 40 et 350C.3

Le procd de forgeage chaud comprend trois tapes :

mise en contact brutale de la matrice (prchauffe) et du lopin haute temprature,

suivie dune phase de mise en forme dont la dure dpend duprocd et durant laquelle les contraintes appliques loutil sont

importantes.

et enfin refroidissement de loutil et jection de la pice.4

Ce cycle est rpt plusieurs fois et lendommagement des outils de forge chaud se diversifie et se complexifie dans limbrication des mcanismes dusure : fissuration par fatigue lie au cyclage thermomcanique, changements microstructuraux et oxydation du fait du travail chaud, et

enfin la perte de ctes traduisant lusure induite par lefrottement entre le lopin et la matrice.5

En fait, chaque opration de forgeage, des variations de temprature plus ou moins rapides ont lieu la surface de loutil. Celles-ci sont dues aux transferts thermiques entre loutil et le lopin. Ainsi, des gradients thermiques transitoires se dveloppent dans loutil par conduction thermique. Ces gradients thermiques, estims par simulation, peuvent atteindre 250C/mm dans les zones o lusure est maximale. Ceci conduit la fissuration des surfaces de loutil par faenage.

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Rseau de fissures de fatigue thermique sur une matrice nitrure7

Lors du contact avec le mtal chaud, les couches superficielles de loutil subissent une expansion qui se trouve contrarie par la sous-couche reste plus froide. Les contraintes de compression rsultantes peuvent conduire la plastification de la surface. Ensuite, lors du refroidissement du cycle de forgeage, les couches superficielles subissent un retrait qui, sil y a eu dformation plastique lors du chauffage et du contact, crent des contraintes de traction importantes susceptibles de conduire une plastification, voire une fissuration superficielle.8

Un outil de forge est une pice mcanique soumise des sollicitations

mcaniques et thermiques svres aggraves par des concentrations decontraintes de traction dans les congs de raccordement, en particulier en fond de gravure. Les contraintes subies par loutil peuvent se dcomposer en contraintes thermiques dune part, et mcaniques dautre part : typiquement sur la partie centrale de la matrice, des auteurs estiment par simulation (comportement purement lastique de loutil) le niveau de contrainte compressive de lordre de

2,45 GPa dont 1,4 GPa sont attribus aux contraintes thermiques et 1,05 GPa auxcontraintes mcaniques.

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Les causes habituelles qui sont lorigine de lamorage dune fissure dorigine

mcanique sont les suivantes :

Contraintes de traction dans les congs trop leves : conception de la gamme de forgeage inadapte, conception et dimensionnement de loutil incorrects ou conditions de travail anormales (mauvaises portes, surcharges).

Matriau doutillage fragile : mauvais choix de lacier et de son traitement de masse (structure incorrecte) ou fragilit induite par un traitement superficiel dur ; dans ce cas, il sera peut tre ncessaire de protger les zones sensibles lors de la ralisation du traitement (protection des congs de raccordement en fond de gravures profondes).

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Lendommagement par fissuration mcanique peut se

prsenter sous deux aspects :Rupture brutale : lexamen de la cassure rvle un facis non oxyd, ceci indique que lamorage de la fissure, puis sa propagation, se sont dveloppes dans un trs court laps de temps. La rupture brutale, si elle se produit, se traduit par une zone brillante qui suppose un caractre fragile de la rupture. Fissuration progressive : la zone de fissuration progressive apparat oxyde et pollue.11

Les sollicitations thermomcaniques svres crent des conditions propices au

dpassement de la limite dlasticit de loutil la temprature de travail. Cecignre une plastification parfois assimile tort du fluage. Ce sont les surfaces actives trs sollicites la fois thermiquement et mcaniquement (coulement intense du mtal forg) qui sont concernes. La plastification intresse une paisseur comprise entre 1 et 250 m. Seul un examen micrographique permet de lidentifier avec certitude. La plastification superficielle est frquemment associe des fissures de fatigue thermique, des

volutions mtallurgiques des couches superficielles des outils et de lusure parabrasion. La consolidation des surfaces actives des outils par un traitement ou revtement superficiel est une voie de solution ce type dendommagement.12

A - X32CrMoV12-28

B - X38CrMoV5-313

De faon gnrale, on observe lusure abrasive dans les zones de fort

glissement : lcoulement de matire du lopin la surface de la matriceinduit des vitesses de glissement leves (jusqu 2-3 m/s ) qui, conjugues lapplication de fortes charges, conduisent de labrasion.

En forgeage chaud, cela se traduit essentiellement par un enlvement dematire, jusqu 2 mm au rayon, qui peut tre assimil un microusinage labrasion est galement sensible la gomtrie des matrices. Labrasion, comme la dformation plastique, sera localise sur les rayons de matrices dont la raideur est moindre et favorise lcoulement de la matire de la matrice.14

Usure par abrasion de la surface d'une matrice15

Lusure est conditionne par la duret et la structure la temprature de travail de loutil. Au niveau du procd de forgeage, la temprature superficielle de loutil, la pression

normale, la nature de linterface (prsence ou non doxydesdurs) et la longueur de glissement influencent lusure abrasive.

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Les surfaces actives des outils en service sont frquemment recouvertes dune

pellicule plus ou moins adhrente constitue essentiellement doxydes issus dumtal forg et de rsidus ventuels de lubrification. Lpaisseur de cette couche, appele couche de transfert, peut varier de quelques micromtres plusieurs dizaines de micromtres. La formation de couches de transfert est lie la forte activit chimique des surfaces en contact du fait de la temprature leve, de la pression et de la dformation plastique. Celle-ci met nu le mtal forg qui prsente alors une

surface trs ractive (rupture des films doxydes du lopin). Une oxydation de lasurface des outils a gnralement lieu.

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THSE : TUDE DU FROTTEMENT ET DE LUSURE D'ACIER OUTILS DE TRAVAIL CHAUD PAR : Olivier BARRAU lInstitut National Polytechnique de Toulouse Spcialit Sciences et Gnie des Matriaux

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