5.1.1 Configurations permettant l’identification des
dégradations et de leurs cinétiques
Dans cette étude, les dégradations des lames ont été identifiées à partir de trois nuances d’acier à outils martensitiques fortement alliés : les nuances X110CrMoV8-2-1 (60 HRC), X70CrMoV5-2 (62 HRC) et X38CrMoV5 (53 HRC). La première constitue un lot de lames utilisées par le partenaire industriel ArcelorMittal pour une démonstration de faisabilité sur un cas industriel et les deux autres nuances ont été étudiées avec le pilote expérimental de l’ICA présenté au chapitre 3. Ces lames se distinguent donc par leur nuance, les paramètres d’essais (température initiale de tôle et jeu) et les nombres de cycles effectués.
L’analyse de la lame supérieure de l’outil de démonstration en X110CrMoV8-2-1 (figure
F.1, annexe F) provenant d’essais menés par ArcelorMittal a réalisé environ 70 frappes
unitaires pour différents jeux et températures initiales de tôles qui ne sont pas connus du laboratoire.
La deuxième configuration porte sur une lame supérieure en X70CrMoV5-2. Elle cor- respond à un lot de lames martyres car elles ont été utilisées lors de la phase de développement du pilote expérimental. Ces essais ont été réalisés avec un jeu de 150 µm et différentes températures de tôles comprises entre 700◦C et 900◦C pour des séries
d’essais à nombre de cycles variables dont le nombre de cycles cumulés est de 250. La troisième configuration d’étude est effectuée avec des lames en acier X70CrMoV5-2 et X38CrMoV5 sur le pilote expérimental à partir d’essais dits "en cadence" suivant le plan d’essais et la procédure détaillée au paragraphe 5.1.2.
Ces trois analyses reposeront sur des observations en surface et en coupe des lames endommagées à partir du microscope électronique à balayage.
Pour toutes les lames, la gamme de fabrication (usinage et traitement thermique) réalisée par SMP est la même. La face d’attaque est obtenue par le surfaçage d’un bloc parallélépipédique à l’état recuit dans lequel sont effectués les différents perçages. Puis, le traitement thermique des lames est réalisé pour conférer à l’outil sa dureté finale. La forme finale décrivant la géométrie du bord de tôle découpé est obtenue par électroérosion. La face de dépouille résulte de cette dernière opération.
5.1.2 Plan d’essais de cisaillage à chaud dits en cadence
L’effet de la température initiale de la tôle dite nominale, du jeu et du matériau d’outil sur la dégradation de l’arête de coupe sont explorés dans ce plan qui se divise en :— Trois niveaux de températures nominales de tôle (550◦
C, 700◦
C et 900◦
C) avec un jeu de 150 µm (soit 12.5% de l’épaisseur de tôle) pour la nuance X70CrMoV5-2 utilisée préférentiellement par l’industrie. Les essais à une température nominale de 550◦
C ne peuvent être réalisés qu’avec une seule lame (essais asymétriques) compte tenu de la capacité d’effort de la machine (paragraphe 3.1.5.4, chapitre3). Pour les températures de 700◦C, la capacité machine n’a pas été suffisante sur
certains cycles de découpe, ce qui a forcé l’opérateur à modifier sensiblement les paramètres (vitesse de déplacement de la tôle qui influe sur la température initiale de tôle pour la découpe).
— Trois niveaux de jeux (50 µm, 150 µm et 280 µm/375 µm) à la température nominale de 700◦
C pour la nuance X70CrMoV5-2. Les essais montrant l’effet du jeu ont été arrêtés à 242 cycles pour la configuration à un jeu de 50 µm suite à des blocages répétés de la machine (lot 4) sûrement dus à la dilatation thermique des outils. Le lot à fort jeu (lot 3) a démarré avec un jeu de 280 µm pendant 250 cycles. Cette série n’ayant révélé aucun endommagement significatif par rapport aux configurations montrant l’effet de la température de la tôle, le jeu a été augmenté à 375 µm (lot 3). Comme précédemment, la seconde série n’a pas révélé d’endommagement plus marqué. En conséquence, le contre serre-flan a été enlevé pour voir son effet sur l’endommagement après 500 cycles.
— Deux nuances d’outils (X70CrMoV5-2 et X38CrMoV5), pour une température nominale de 700◦
C et un jeu de 150 µm.
Les essais de cisaillage à chaud en cadence sont arrêtés tous les 250 cycles (enroulement maximal possible par le moteur aval du moyen d’essais, paragraphe3.1.5.3du chapitre3) et les lames sont démontées pour différentes observations. Pour un choix de paramètres d’essai, le nombre total de cycles a atteint 1500. Le plan d’essais de l’étude en cadence est donc résumé au tableau5.1.
Table 5.1 – Plan des essais en cadence
Lot Température initiale Jeu Matériau Cycle d’arrêt
de tôle nominale (◦C) (µm) d’outils Initial 250 500 750 1000 1500
1 900 150 X70CrMoV5-2 ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ ✔ 2 700 150 X70CrMoV5-2 ✔ ✔ ✔ ✖3 ● ● 3 700 280/375 X70CrMoV5-2 ✔ ✖2 ✔ ✔ ● ● 4 700 50 X70CrMoV5-2 ✖1 ✔ ● ● ● ● 5 550 150 X70CrMoV5-2 ✔ ✖3 ✖3 ✖4 ✖3 ● 11 700 150 X38CrMoV5-3 ✔ ✖3 ✖3 ✖4 ✖3 ●
✔: Essais réalisés et toutes observations/mesures disponibles.
✖: Essais réalisés mais manque d’au moins une observation/mesure.
●: Essais non réalisés.
1Machine d’acquisition de topographies indisponible. 2Microscope électronique à balayage indisponible. 3Tôles non prélevées.
5.1.3 Procédure d’analyse de la dégradation d’une lame
La procédure d’analyse de la dégradation des lames se divise en trois étapes et se limite à la lame supérieure "côté opérateur" :1. L’identification de l’état initial de la lame (face d’attaque et de dépouille) est réalisée par des observations à l’échelle microscopique et des mesures topogra- phiques et géométriques (arête de coupe). Les faces de l’outil sont marquées par des empreintes de macro dureté afin de constituer un référentiel géométrique pour les observations et les mesures ultérieures.
2. L’identification de l’état de la lame à chaque interruption de cycle par des obser- vations à l’échelle microscopique et des mesures géométriques et topographiques. Ces analyses compléteront donc les mesures d’effort de coupe, de déplacement de traverse et de température de la tôle.
3. L’analyse microstructurale en coupe de la lame en fin d’essais. Cette dernière phase consiste à observer l’arête en sous couche et pour cela, une partie de la lame ayant travaillé est prélevée par micro-tronçonnage. Des mesures de micro-duretés en sous surface de l’arête de coupe permettent d’avoir une indication des zones écrouies et adoucies. Les observations obtenues correspondent à un plan de coupe donné qui sera considéré comme représentatif de l’endommagement en sous couche de la lame sur toute la longueur de découpe.
Les deux premières étapes permettent de connaitre la cinétique de dégradation des lames. La troisième vise à identifier les dégradations en sous couche.