Le formage de métaux est recommandé pour les techniques de déformation des matériaux ayant un rapport volume/surface élevé. Les méthodes classiques de déformation des métaux continuent d’exister malgré l’émergence de nouvelles techniques de déformation. Comme l’une des plus anciennes méthodes de formage de métaux, le forgeage à matrice ouverte est une méthode classique, couramment utilisée pour déformer les lingots de grande taille. Dans cette méthode, le lingot est déformé plastiquement entre deux plaques plates, où une étape de post-forgeage telle que l’usinage sera nécessaire par la suite. La déformation durant le forgeage à matrice ouverte peut être réalisée à froid, à chaud ou entre les deux. Lors de la déformation à chaud des aciers, la formation et la croissance d’oxydes activée thermiquement sont inévitables. La surface en acier interagira avec l’environnement gazeux pour former différentes couches d’oxyde. Les couches d’oxyde formées sont une cause de perte du matériau. L’oxyde peut se détacher et pénétrer le lingot sous des charges de déformation causant des fissures et des défaillances matérielles. Les couches d’oxyde formées ont une très faible conductivité, et donc se comportent comme des isolants. Donc, le transfert de chaleur du lingot est remarquablement affecté par la présence de couches d’oxyde. Les couches d’oxyde peuvent affecter la friction interfaciale entre les matrices et le lingot. Les matrices sont coûteuses à réparer ou à remplacer. Par conséquent, l’effet des couches d’oxyde sur la friction interfaciale s’avère critique et nécessite une investigation.
Le progrès qu’avait connu Finkl Steel Co. au cours des 70 dernières années, a positionné le groupe comme étant le plus important producteur de pièces forgées à matrice ouverte au Canada, avec des installations internes utilisées pour la fonderie, le forgeage, le traitement thermique, l’usinage et l’inspection. Finkl Steel Co. fabrique les pièces forgées à matrice ouvertes pour combler les besoins des industries opérantes des domaines des moules d’injection de plastique, de l’automobile, de l’aérospatiale, du pétrole et du gaz, de la construction et de l’exploitation minière. Cependant, l’entreprise perd plus de cent kilogrammes de matériaux sous forme de déchets pour chaque lingot à cause de l’oxydation thermique. Le gradient de température au sein du lingot, est affecté par l’échelle des couches d’oxydes, ce qui impacte négativement par la suite les caractéristiques matériaux désirés. En outre, la friction interfaciale entre la matrice et le lingot est influencée par la présence d’oxyde. Les couts supplémentaires dus aux charges de déformation sont considérablement cruciaux pour l’entreprise, ainsi que ceux dus à la réparation des matrices en raison de l’usure. Cette étude a été définie dans ce contexte dans le but d’évaluer expérimentalement et numériquement l’oxydation thermique et ses effets sur le transfert de chaleur et la friction interfaciale des lingots de grande taille. Cette étude est basée sur trois publications, qui peuvent être représentées comme suit:
Pour le premier article, l’oxydation thermique pour deux aciers à haute résistance a été étudiée. La composition chimique des deux aciers était la même, mise à part la concentration du Ni, qui était différente de presque six fois (2,92 %), afin d’étudier l’effet du Ni sur l’oxydation. Les quatre températures d’oxydation 1000, 1100, 1150, 1200 °C pour différents temps d’oxydation de 3,10, 20, 30 et 60 min ont été attribués pour évaluer l’effet du temps et de la température d’oxydation. Tant que le poids de l’échantillon augmente durant la formation des couches d’oxyde, la variation du poids peut indiquer le taux d’oxydation de l’acier. Ainsi, l’analyse thermique différentielle équipée de la thermogravimétrie (TG) a été employée. Les échantillons ont été chauffés aux températures d’oxydation désirées sous une atmosphère d’argon, où une unité fait la permutation de l’argon en l’air à cette température. L’échantillon est exposé à l’air durant le temps d’oxydation désiré. Les résultats pour les deux aciers ont démontré qu’en augmentant la température d’oxydation et le temps d’oxydation, le taux d’oxydation augmente. Toutefois, le changement du poids des deux aciers ont montré que l’acier ayant la plus grande teneur de Ni à un taux d’oxydation thermique plus faible que l’acier avec une faible teneur de Ni. L’énergie d’activation obtenue pour l’acier avec une teneur de Ni plus élevé est de 275 KJ mol−1 en comparaison à 238 KJ mol−1 pour l’acier avec une faible teneur en acier, ce qui démontre que l’ajout du Ni augmente la résistance à l’oxydation. Afin d’étudier le mécanisme sous-jacent du Ni résultant à réduire le taux d’oxydation, des analyses de diffraction des rayons X (DRX) ont été effectuées pour étudier les différentes couches d’oxydes. En plus de trois générales couches formées de wustite, magnétite et hématite, deux couches de spinelle (FeOCr2O3) et de chromite (Cr2O3) sont présentes. La spectroscopie par rayons X à dispersion d’énergie (SDE) a révélé une concentration du Ni sur le côté supérieur des couches d’oxyde. Aussi, une couche riche en Cr est présente à l’interface du métal-oxyde. Cette couche riche en Cr est plus épaisse pour l’acier avec la teneur de Ni la plus élevée. Toutes ces couches ont agi comme des obstacles contre la diffusion de l’oxygène dans le Fer, en supprimant ainsi l’accessibilité mutuelle des cations et des anions les uns aux autres et en diminuant par conséquent le taux de l’oxydation à des températures élevées. Par la suite, les pertes matériaux ont été réduites par l’ajout du Ni.
Dans la deuxième étude, l’évaluation de l’effet de la croissance de la couche d’oxyde sur le refroidissement des lingots de grande taille a été investigué. Les échantillons ont été chauffés à la température d’oxydation sous atmosphère d’argon, puis exposés à l’air pendant une période déterminée à l’aide d’un four a radiation. Un microscope confocal laser a été utilisé pour mesurer l’épaisseur d’oxyde formée, révélant ainsi un comportement de croissance parabolique de la couche d’oxide pour les deux aciers. Les couches d’oxyde formées pour l’acier avec une teneur élevée de Ni présentent une couche plus mince que celui avec une faible teneur en Ni. Il a été révélé aussi que la fraction d’épaisseur de la couche de wustite croit aussi avec l’élévation de la température d’oxydation, au détriment de celle de l’hématite. Toutefois, la fraction d’épaisseur de la magnétite demeure inchangée pour toutes les conditions d’essai. En plus, la fraction d’épaisseur relative aux couches est la même pour les couches d’oxyde formées sur les deux aciers. En d’autres termes, bien que les couches d’oxyde formées sont plus minces pour l’acier avec une teneur de Ni élevé, elles ont les mêmes fractions que celui avec une faible teneur en Ni. Pour la simulation de refroidissement du lingot, les propriétés thermo-physiques des aciers ont été acquises à la fois par la méthode flash laser et le logiciel JMatPro. Les taux de refroidissement, et les valeurs de h, ont été obtenus par les équations de Holman pour être intégrés aux simulations basées sur la méthode des éléments finis. Les résultats issus du modèle éléments finis ont démontré que modèle numérique de simulation du lingot qui considère une couche d’oxyde a tendance à se refroidir plus rapidement depuis une température plus élevée que celui qui l’élimine, malgré le fait que les couches d’oxydes se comportent comme des matériaux isolants. Et ceci est dû au coefficient de rayonnement, qui est plus élevé pour la couche d’oxyde en comparaison avec la surface d’acier, facilitant ainsi l’extraction de la chaleur à travers les grandes surfaces de lingots. Cependant, dans le cas industriel, le lingot des fois peut demeurer dans le four pour plusieurs heures supplémentaires, induisant ainsi des couches d’oxyde. Dans un cas industriel, une couche d’oxyde de 7,8 millimètres a été observée. Cette couche d’oxyde a été utilisée pour la simulation du modèle éléments finis, et il a été constaté que le modèle du lingot intégrant cette couche d’oxyde a expérimenté température plus élevée de 200 K que celui sans couche d’oxyde. Ainsi, l’effet d’isolation de la couche d’oxyde est ressenti qu’après une certaine épaisseur soit atteinte, et donc avant cette épaisseur critique, la perte de chaleur est plus élevée. De plus, durant le contact avec les matrices, la couche d’oxyde la plus épaisse a empêché l’élévation de température pour les matrices jusqu’à 194 K. Les modèles d’éléments finis développés ont été vérifiés par des mesures expérimentales de la température de surface du lingot en utilisant une caméra thermique.
Dans l’article final, l’effet de la croissance d’oxydes activé thermiquement sur la friction interfaciale entre le lingot et la matrice a été évaluée. L’essai d'anneau est une méthode généralement employée pour évaluer la friction interfaciale. Avant de passer à l’essai d’anneau, des essais d’indentation ont été effectués pour étudier les propriétés mécaniques des couches d’oxyde formées sur différents aciers puis être intégrés à la simulation de l’essai d’anneau en se basant sur la méthode éléments finis. Un outil d’indentation pénètre la surface d’oxyde jusqu’à attendre le chargement prédéterminé, cette étape est suivie d’un maintien pendant un certain temps (temps de maintien), puis un déchargement. Les résultats de l’indentation ont montré que la dureté et le module de Young des couches d’oxyde sont élevés pour l’acier qui a une concentration plus élevée de Ni en comparaison à celui avec une teneur faible de Ni. Les courbes utilisées pour l’étalonnage de la friction ont été obtenues par la simulation des modèles éléments finis. Les anneaux ont été déformés à des températures élevées de 1273, 1373, 1423 et 1473 K entre deux plaques plates. La variation du diamètre interne a été enregistrée par rapport à la variation de la hauteur selon les différents coefficients de frottement utilisés. Les simulations développées ont été vérifiées par des essais d’anneau réalisés expérimentalement. Concernant les essais sur anneaux, des anneaux avec les dimensions géométriques suivantes: 18:9:6 mm ont été usinés à partir de blocs industriels. Ces anneaux ont été oxydés dans un four à radiation pendant un temps déterminé, puis déformés plastiquement. Les résultats ont montré que la couche d’oxyde peut agir comme un lubrifiant supplémentaire à des températures élevées.
| Date | 24 juin 2021 |
|---|
| langue originale | Anglais américain |
|---|
| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
|
|---|
| Superviseur | Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) |
|---|