Tribology at high temperature
Tribologie à haute température
Résumé
In hot-working of steel components, friction conditions at the tool/workpiece interfaceare severe due to the relatively high temperatures (850°C-1250℃) and loads involved in theseoperations. Under these processing conditions, the tool/workpiece interface usually involvesthe presence of an oxide layer and a lubricant film. The objective of this research is to analyzethe tribological effect of the oxide layer and its interaction with the lubricant used. As part ofthe joint SWITLab laboratory bringing together the industrial group MG Valdunes, theLAMcube of Lille and the LAMIH UMR CNRS 8201, the hot forging process of a railwaywheel for high-speed trains was chosen for the analysis.The rheological effect of the oxide layer and lubricant film on the steel were previouslyanalyzed by means of hot compression tests with standard cylinders and cylinders with aRastegaev design. Additionally, axisymmetric compression and tensile tests were carried out inorder to characterize the mechanical behavior of the tool material at relatively low temperatures.An original multi-scale analysis of the billet/tool contact conditions at high temperaturewas then developed. At macro-scale, the main contact parameters were extracted by means ofthe industrial forging process observations and its FE modeling. Then, upsetting-sliding testsas well as roll-on-disc tests were conducted based on the macro-scale contact conditions. Afterthe upsetting sliding both crushed and embedded oxides were found to be present on the crosssection of the tested samples. At the micro-scale level, the stick-slip phenomenon occurs due toaccumulation of the crushed oxides, which transform the interfacial contact conditions from alubricant/oxide configuration to an oxide/oxide condition.Finally, a FE model of the railway wheel hot forging process, taking into account thethermal characteristics of the oxide layer, the coefficient of friction determined at meso-scaleand the behavior of the tool material, has been developed. This model can correctly predict theforging forces and the filling of tools.
Dans la mise en forme à chaud des composants en acier, les conditions de frottement àl'interface pièce/outil sont sévères en particulier à cause des niveaux de températures (850°C-1250 ℃) et des charges appliquées dans ces opérations. Dans ces conditions de mise en forme,en plus du film lubrifiant, une couche d’oxyde se crée à l’interface pièce/outil qui va perturberles conditions de contact. Les objectifs de cette thèse sont non seulement d'analyser l’impacttribologique de la couche d’oxyde sur le procédé de forgeage à chaud, mais aussi d’observerl’interaction oxyde/lubrifiant. Dans le cadre du laboratoire commun SWITLab entre la sociétéMG-Valdunes, le LAMcube et le LAMIH UMR CNRS 8201, la mise en forme d’une roueferroviaire à grande vitesse a été choisie comme application.Les effets rhéologiques de la couche d'oxyde et du film lubrifiant sur l'acier ont étépréalablement estimés au moyen d'essais de compression à chaud à partir de cylindres degéométries standards et de cylindres de géométries Rastegaev. Des essais complémentaires decompression axisymétriques et de traction ont été réalisés afin de déterminer le comportementmécanique de l'outil à des températures relativement basses.Une analyse originale multi-échelle du contact pièce/outil à haute température a ensuiteété développée. Les principaux paramètres de contact ont été extraits, à macro-échelle, parobservation du procédé industriel et par une première modélisation numérique de la mise enforme. Des essais de compression-translation, ainsi que des tests roll-on-disc ont ensuite étéréalisés à méso et micro-échelle, basés sur les conditions de contact déterminées à macroéchelle.Les essais de compression-translation ont montré la présence à la fois d’oxydes écraséset incrustés sur la surface des échantillons testés. Au niveau micro-échelle, le phénomène deStick-Slip qui se produit en raison de l'accumulation des oxydes écrasés, transforment lesconditions de contact d'une configuration lubrifiant/oxyde en une condition oxyde/oxyde.Enfin, une simulation par éléments finis du procédé de forgeage à chaud de la roueferroviaire, prenant en compte les caractéristiques thermiques de la couche d'oxyde, lecoefficient de frottement déterminé à échelle méso et le comportement du matériau de l'outil, aété développée. Ce modèle permet de prédire correctement les efforts de forgeage et leremplissage des outils.