Wear of hot forging tools : towards an objective optimization of the durability.

Usure des outils de forgeage à chaud : vers une optimisation objective de la durée de vie Durant le processus de forgeage à chaud, les outils sont soumis à des chargements mécaniques et thermiques cycliques sévères. Ces conditions de formage extrêmes peuvent endommager les outils par le développement d'usure abrasive, de fissuration, de fatigue thermique et mécanique. Ces dommages compromettent la résistance mécanique des outils et réduisent leur durée de vie. Pour optimiser la durée de vie des outils, plusieurs facteurs doivent être pris en compte, tels que les propriétés du matériau de l'outil, la géométrie de l'outil, l'oxydation, la lubrification et les paramètres de forgeage (température, pression et vitesse de glissement).L'objectif de cette thèse est de comprendre comment le nombre de cycles de forgeage répétés impacte les outils de forgeage à chaud, en termes de modifications de l'état de surface, de changements des propriétés mécaniques et de la microstructure, de modifications géométriques, et de l'évolution du comportement tribologique. L'objectif est de proposer une étude tribologique qui considère l'état d'usure des matrices, avec la possibilité de l'intégrer dans des simulations numériques du processus de forgeage.Tout d'abord, une détermination de la loi rhéologique de la nuance 38MnSiV5 (matériau de la pièce) est effectuée par des essais de compression dans l'objectif d'alimenter les simulations numériques des procédés de forgeage. Ensuite, pour étudier l'influence du cycle de forgeage sur l'état de surface des outils, une analyse topographique est réalisée sur des outils ayant différentes géométries et différents cycles de vie (nouvel outil, en cours de vie et en fin de vie). L'étude révèle que la rugosité de surface augmente tout au long du cycle de vie de l'outil en raison de phénomènes complexes tels que l'usure.Les propriétés mécaniques, telles que la dureté et le module de Young des outils, sont également influencées par le cycle de vie de forgeage et par les changements des conditions de contact. Les tests de nano-indentation montrent une diminution de la dureté ainsi qu'une diminution ou une stabilisation du module de Young selon la zone et en fonction du cycle de vie. Les résultats des tests ont ensuite été corrélés avec les résultats de l'analyse microstructurale obtenus par SEM/EDS. Ils montrent la formation de fissures dans la couche d'oxyde et une transition de la martensite à la cémentite globulaire. De plus, la formation d'une couche de décarburation est constatée dans certaines zones, ce qui semble lié à la formation d'une couche d'oxyde non adhérente.Une étude tribologique du procédé de forgeage est effectuée en utilisant le banc d'essai WHUST, qui sert à reproduire les conditions de contact du procédé industriel. Différentes géométries et configurations de conditions de contact sont analysées en fonction du cycle de vie. Cette analyse a révélé une stabilisation ou une diminution de l'indicateur de frottement à haute température. La présence d'oxydes et les changements de géométrie des outils influencent de manière significative le comportement tribologique et d'usure : les couches d'oxydes, dont l'épaisseur augmente avec le nombre de cycles de forgeage, agissent comme des barrières thermiques, influençant le comportement de friction et d'usure des outils. Cependant, elles servent également de sites d'initiation de fissures, contribuant à l'endommagement de la surface au fil du temps.Les modifications géométriques induites par l'usure affectent les conditions de contact et la performance globale des outils de forgeage. Les simulations numériques mettent en évidence que les changements de géométrie des outils entraînent des variations de la pression de contact et de la température.