Effects of Contact Pressure, Plastic Strain and Sliding Velocity on Sticking in Cold Forging of Aluminium Billet

AbstractHot rolling of stainless steel is one of the most important steps in manufacturing process regarding surface quality of the product. Stabilised ferritic stainless steels are widely used in automotive and cosmetic appliances but are also concerned by sticking phenomenon. These grades, having high dry corrosion and creep resistance, are enriched in specific chemical elements such as Cr, Nb or Ti, limiting also slab oxidation during hot rolling. Nevertheless, the mastered oxidation of slab surface is a way to protect metal surface from direct contact with rolls. In order to better understand initiation of sticking, a first campaign was based on topography and rolls surface state wear analysis. This study revealed that sticking initiation is not due to the presence of roll scratches which depth is higher than oxide layer thickness. Indeed, the probability that roll scratches are deeper than oxide layer thickness is very low. In a second time, a pilot was designed, reproducing tribological conditions of a roll bite, to better understand mechanisms that initiate sticking. Keeping in mind the importance of rolls and slab surface state, this pilot is able to use specimen taking from industrial products, having the original oxide layer surface. This second study highlighted the major role of silicon oxides on scale adherence and the high heterogeneity of this scale layer in thickness and in chemical composition

Caractérisation de la tribologie des procédés de mise en forme à haute température

Les procédés de mises en forme à chaud sont fortement sensibles aux conditions de contact et de frottement. La connaissance de ces conditions de frottement est rendue difficile à cause des températures extrêmes rencontrées dans ce type de procédés (supérieures à 1000°C lors de la mise en forme des aciers). Ce papier présente le banc d'essais tribologiques développé au LAMIH afin de répondre à cette problématique. Le banc d'essais a été conçu de façon à reproduire une large gamme de pressions de contact, de vitesses de glissement et de températures. Dans un premier temps, la méthodologie utilisée pour régler l'essai de frottement permettant de simuler des conditions de contact respectueuses de celles rencontrées sur site industrielle est présentée. Ensuite, un ensemble de trois campagnes d'essais distinctes est présentés. La première campagne est réalisée pour étudier les effets de la composition des lubrifiants à base de graphite sur les conditions de frottement en forgeage à chaud. Une attention particulière est portée au volume de lubrifiant déposé sur l'outil, à la taille des particules de graphite et à la quantité d'agents de liaison. Ces premiers résultats montrent que le banc d'essai est suffisamment sensible pour distinguer les propriétés de deux lubrifiants a priori identiques. La deuxième campagne vise à quantifier l'aptitude de deux lubrifiants blancs à réduire le frottement et à protéger la surface de l'outil. Le premier lubrifiant blanc est à base de sel minéral, le second à base de sel organique. Les essais sont effectués à 1200 °C sur des échantillons d'acier AISI 4820, avec des frotteurs en acier nitruré AISI H11. Les résultats montrent que les lubrifiants blancs testés conduisent à un coefficient de frottement comparable à ceux mesurés pour les lubrifiants à base de graphite. Toutefois, dans les conditions testées, les lubrifiants blancs perdent leur capacité à réduire le frottement dès que les longueurs de glissement deviennent supérieures à 10 mm, alors que les lubrifiants à base de graphite peuvent subir une longueur de glissement supérieure à 30 mm. La dernière campagne est menée pour qualifier un nouveau revêtement sol-gel déposé sur à outil en acier AISI H13. Les essais sont effectués à 1100 ° C sur des échantillons d'acier AISI 4820. Après chaque essai, la capacité du revêtement à réduire le frottement et à empêcher le transfert de métal des éprouvettes vers l'outil revêtues est établie. Les résultats montrent que les revêtements sol-gel testés réduisent le frottement et possèdent une bonne aptitude à retarder les transferts de matière, mais imposent des conditions de dépôt qui peuvent nuire à la tenue mécanique de l'outil (chute de la dureté)

Role of frozen lubricant film on tribological behaviour and wear mechanisms in grinding

International audienceIn this paper the friction conditions of Minimum Coolant Grinding (MCG) technology are deeply characterized. The MCG is a successful cooling/lubricating system that combines the application of Minimum Quantity of Lubrication (MQL) and CO2 at low temperatures to create a frozen layer of oil able to reach the contact zone. This technique has previously shown promising results to reduce heat generation in grinding process and improve the workpiece finish. A comparison of the energy consumption, forces and wear patterns have been performed between MCG and dry grinding by means of the On-Machine Test Bench. In the work authors have identified that MCG favours the shearing of the material reducing the energy consumption and wear of the abrasive. Differences are highlighted on the size of wear flats, the shape of the debris and the various types of wear mechanisms

Vers la caractérisation du collage des alliages d'aluminium en mise en forme à froid

Les alliages d'aluminium sont des matériaux qui ont une forte tendance aux collages lors de leur mise en forme : une rupture du film lubrifiant séparant la pièce et l'outil peut avoir des conséquences dramatiques sur l'opération de formage (rayures et fissures en surface de la pièce, encrassement et détérioration des outils, etc.). Les travaux présentés étudient les mécanismes de collage d'un alliage d'aluminium 6082 lors de sa mise en forme à froid. Dans un premier temps, une méthodologie expérimentale utilisant le banc d'essai Upsetting-Sliding Test est proposée. Elle permet simuler en laboratoire des conditions de contact proches de celles rencontrées en industries. Une campagne d'essais est réalisée, sollicitant le matériau sous diverses conditions de pression de contact, de vitesse de glissement et de lubrification. Les analyses métallurgiques et mécaniques de cette campagne permettent d'établir un lien entre les conditions de contact d'une part et le transfert de matière sur les outils d'autre part. Les résultats montrent que l'apparition du collage ne se traduit pas par une augmentation importante du coefficient de frottement. Un mécanisme d'apparition du collage de l'aluminium sur les outils en forge à froid est alors proposé. Dans un second temps, l'aptitude à prédire l'apparition du collage des alliages d'aluminium est étudiée à l'aide de quatre modèles d'endommagement et de rupture usuels. Dans cette approche simplifiée, le film lubrifiant n'est pas modélisé, ni les forces d'adhésions. Un ensemble de simulations numériques est mené pour quantifier l'influence des conditions de contact rencontrées lors des essais UST sur l'état d'endommagement des éprouvettes au voisinage de leur surface. Les résultats montrent que le coefficient de frottement seul n'est pas suffisant pour rendre en compte de la sévérité du contact et qu'une approche multiéchelle est nécessaire pour simuler l'effet de la rugosité des outils sur l'apparition des premiers transferts de matière

An Analysis of Electroplated cBN Grinding Wheel Wear and Conditioning during Creep Feed Grinding of Aeronautical Alloys

Cubic boron nitride (cBN), in addition to diamond, is one of the two superabrasives most commonly used for grinding hard materials such as ceramics or difficult-to-cut metal alloys such as nickel-based aeronautical alloys. In the manufacturing process of turbine parts, electroplated cBN wheels are commonly used under creep feed grinding (CFG) conditions for enhancing productivity. This type of wheel is used because of its chemical stability and high thermal conductivity in comparison with diamond, as it maintains its shape longer. However, these wheels only have one abrasive layer, for which wear may lead to vibration and thermal problems. The effect of wear can be partially solved through conditioning the wheel surface. Silicon carbide (SiC) stick conditioning is commonly used in the industry due to its simplicity and good results. Nevertheless, little work has been done on the understanding of this conditioning process for electroplated cBN wheels in terms of wheel topography and later wheel performance during CFG. This work is focused, firstly, on detecting the main wear type and proposing a manner for its measurement and, secondly, on analyzing the effect of the conditioning process in terms of topographical changes and power consumption during grinding before and after conditioning.The authors gratefully acknowledge the funding support received from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness and the FEDER operation program for funding the project "Optimizacion de procesos de acabado para componentes criticos de aerorreactores" (DPI2014-56137-C2-1-R)

Mechanical characterization of a prototype a-C:Cr,Si and its tribological behavior at high temperature

The results of the mechanical and tribological characterization of a prototype a-C:Cr, Si sputtered coating are presented. The hardness and the elastic modulus of the coated system have been determined by means of nanoindentation taking into account the actual architecture of the bi-layer coating. Both mechanical properties were recorded continuously versus the indentation depth, h, up to approximately 2000 nm, at a constant indentation rate and maximum applied loads of 700 mN. The results were analyzed by means of the Oliver and Pharr method and modeled on the basis of novel approach proposed recently by some of the authors. Wear tests were conducted at 25 °C, 400 °C and 450 °C against alumina, employing a contact pressure of 540 MPa. Characterization of the worn surfaces by SEM and elemental X-ray mapping has also been carried out. A wear rate as low as 1.2×10−18 m3/N m was determined for the coating tested at 25 °C, which is approximately one order of magnitude and three times less than those found from the tests performed at 400 °C and 450 °C, respectively. It has been determined that the a-C:Cr,Si coating exhibits a very good wear resistance even at temperatures up to 450 °C, as consequence of the Si and Cr oxides formed due to the oxidation process. Also, it has found that at this temperature, a continuous oxide film is formed, which reduces the wear rate of the coated system in comparison to that determined at 400 °C. However, the volume increase due to the oxidation process at 450 °C and the elimination of CO2, Ar and H2O vapors, induces a severe surface cracking of the coating

Initiation of sticking phenomenon in hot rolling of ferritic stainless steels

Le laminage à chaud de l acier inoxydable est une étape du procédé de fabrication agissant significativement sur la qualité de surface des produits. Les nuances ferritiques stabilisées sont largement utilisées dans les applications automobiles et de décoration mais sont concernées par le phénomène de collage à chaud. Ces nuances, ayant des résistances élevées en corrosion sèche et en fluage, sont riches en éléments tels que le Cr, le Nb ou le Ti, limitant aussi l oxydation des brames lors du laminage. Or, l oxydation maitrisée de la brame permet de protéger la surface du métal de tout contact direct avec les cylindres de laminage.Afin de comprendre l initiation du collage, une première campagne d étude sur la topographie et la dégradation de l état de surface des cylindres a été réalisée. Il a été mis en évidence que l initiation du collage ne serait pas du à des rayures d usure en surface des cylindres et dont la profondeur serait supérieure à la couche d oxyde, car la probabilité que la profondeur d une rayure de cylindre soit plus importante que la couche d oxyde est très faible.Ensuite, un banc d essai reproduisant les conditions tribologiques de l emprise du laminoir a été conçu afin de mieux appréhender les mécanismes à l origine du collage. Etant donné l importance de l état de surface des brames et des cylindres, ce banc d essai a permis de travailler sur des échantillons pris en production, permettant d étudier la surface oxydée des tôles. Cette deuxième campagne d étude a mis en évidence l importance des oxydes de silicium sur l adhérence partielle de la couche d oxyde, ainsi que la relative hétérogénéité en épaisseur et en composition chimique.Hot rolling of stainless steel is one of the most important steps in manufacturing process regarding surface quality of the product. Stabilised ferritic stainless steels are widely used in automotive and cosmetic appliances but are also concerned by sticking phenomenon. These grades, having high dry corrosion and creep resistance, are enriched in specific chemical elements such as Cr, Nb or Ti, limiting also slab oxidation during hot rolling. Nevertheless, the mastered oxidation of slab surface is a way to protect metal surface from direct contact with rolls.In order to better understand initiation of sticking, a first campaign was based on topography and rolls surface state wear analysis. This study revealed that sticking initiation is not due to the presence of roll scratches which depth is higher than oxide layer thickness. Indeed, the probability that roll scratches are deeper than oxide layer thickness is very low.In a second time, a pilot was designed, reproducing tribological conditions of a roll bite, to better understand mechanisms that initiate sticking. Keeping in mind the importance of rolls and slab surface state, this pilot is able to use specimen taking from industrial products, having the original oxide layer surface. This second study highlighted the major role of silicium oxides on scale adherence and the high heterogeneity of this scale layer in thickness and in chemical composition.VALENCIENNES-Bib. électronique (596069901) / SudocSudocFranceF

Quantitative analysis of galling in cold forging of a commercial Al-Mg-Si alloy

International audienceMultiple upsetting-sliding tests are performed at sliding velocities in the range of 20-200 mm.s-1 and at different plastic deformations to reproduce the local contact conditions experienced at the tool/workpiece interface during cold forging of a 6082 aluminium alloy. An original approach, able to evaluate accurately the volume of galled aluminium by means of surface topography acquisitions and energy dispersive spectrometry analyses, is presented. Galling is observed whatever the testing conditions and two types of regimes are underlined according to the sliding velocity. An interesting and strong correlation between the wear volumes and the friction ratio is also highlighted

Quantification de l'usure adhésive en mise en forme à froid d'un alliage Al-Mg-Si

National audienceMultiple upsetting-sliding tests are performed at sliding velocities in the range of 20-200 mm.s-1 and at different plastic deformations to reproduce the local contact conditions experienced at the tool/workpiece interface during cold forming of a 6082 aluminium alloy. An original approach, able to evaluate accurately the volume of galled aluminium by means of surface topography acquisitions and energy dispersive spectrometry analyses, is presented. Galling is observed whatever the testing conditions and two types of regimes are underlined according to the sliding velocity. An interesting and strong correlation between the wear volumes and the friction coefficient is also highlighted.Plusieurs essais de compression-translation sont réalisés à des vitesses de glissement comprises entre 20 et 200 mm.s-1 ainsi qu’à différents taux de déformation plastique pour reproduire les conditions de contact locales à l’interface outil/matière durant la mise en forme à froid d’un alliage d’aluminium 6082. Une approche originale, capable d’évaluer le volume de matière adhérée par le biais d’acquisitions de la topographie des surfaces et des analyses dispersives en énergie est présentée. Le collage est observé quelle que soit la condition d’essai réalisée et deux types de régimes dépendants de la vitesse de glissement sont mis en évidence. Une forte corrélation entre les dépôts de matière relevés et le coefficient de frottement apparaî

The representative topography of worn hot rolling mill cylinders

IF=2.1International audienceIn this paper, a method is proposed to extract the most representative surface topography from n surfaces. A criterion is proposed that allows rejecting irrelevant topographical maps. Then, this methodology is applied on the hot rolling process, on replicas of industrial surfaces. These analyses have shown the major difference between ICDP and HSS roll behavior in terms of topography. Carbides oxidation observations correlates lab studies from bibliography. We confirm that this methodology is relevant to industrial investigations, especially on phenomena requiring non-destructive protoco