Analysis and modeling of tribological surface transformations occuring during cold forming of martensitic steels
Analyse et modélisation des transformations tribologiques de surface lors de la mise en forme à froid des aciers martensitiques
Résumé
There are several types of suspensions in the automotive industry. Those that are cold formed allow variability and flexibility in the design. However, this flexibility leads to the creation of defects. During the production of coil springs, the step of winding the SAE 9254 steel wire sometimes causes the appearance of a surface defect commonly called "white layer" because of its white appearance under the optical microscope. This hardened phase is the result of a tribological surface transformation, i.e., a modification of the surface properties of the material due to severe friction. In the automotive industry, this defect is called "hardened martensite" because it refers to the hardening of a martensitic steel under the effect of severe mechanical and tribological stresses. Several tribological test campaigns were carried out in order to understand the role of the key parameters of the winding process in the creation of the white layer. The first series of tests, on a pin-disc tribometer, made it possible to evaluate the role of the pollution of lubricants by oxide on the coefficient of friction over long distances. These tests showed a stabilizing role of the polluting oxide on friction, when it is used with an appropriate lubricant. The second series of socalled conventional tests was carried out on the Upsetting Sliding Test (UST) experimental platform. It aimed to understand the role of sliding speed, contact pressure, and lubrication on the coefficient of friction and the creation of the white layer. These tests have shown the nondependence of the friction coefficient on the sliding speed. On the other hand, they showed that by increasing the contact pressure and the viscosity of the lubricant, the third body created by this mixture acts as a thick film layer, improving the friction conditions and reducing the thickness of the white layer. The last test campaign reproduced the conditions of the industrial process, notably by measuring the influence of the origin of the wire, the influence of lubrication as well as the influence of the wear rate. These tests have shown the dependence of the coefficient of friction on tool wear, lubrication and the origin of the thread. Finally, a finite element simulation of the cold coiling process, taking into account Lemaitre and modified Lemaitre damage models (LEL), was developed. Results showed that the modified Lemaitre model is able to predict the moment and the location of appearance of the damage of the spring to the winding.
Plusieurs types de suspensions existent dans l’industrie automobile. Celles qui sont mises en forme à froid permettent une variabilité et une souplesse dans le design. Cette flexibilité conduit cependant à la création de défauts. Lors de la production des ressorts hélicoïdaux, l’étape d’enroulement du fil d’acier SAE 9254 provoque parfois l’apparition d’un défaut de surface communément appelé ≪ couche blanche ≫ du fait de son aspect blanc au microscope optique. Cette phase durcie est le résultat d’une transformation tribologique de surface, c’est-à-dire une modification des propriétés surfaciques du matériau du fait d’un frottement sévère. Dans l’industrie automobile, ce défaut porte le nom de ≪ martensite écrouie ≫ car il fait référence a l’écrouissage d’un acier martensitique sous l’effet de contraintes mécaniques et tribologiques sévères. Plusieurs campagnes d’essais tribologiques ont été menées afin de comprendre le rôle des paramètres clés du procédé d’enroulement dans la création de la couche blanche. La première série d’essais, sur tribomètre pion-disque, a permis d’évaluer le rôle de la pollution des lubrifiants par l’oxyde, sur le coefficient de frottement sur de longues distances. Ces essais ont montré le rôle stabilisant de l’oxyde polluant sur le frottement, lorsque celui-ci est utilisé avec un lubrifiant adapté. La seconde série d’essais avec outils à géométrie cylindrique a été réalisée sur la plateforme expérimentale Upsetting Sliding Test (UST). Elle visait a comprendre le rôle de la vitesse de glissement, de la pression de contact, et de la lubrification sur le coefficient de frottement et la création de la couche blanche. Ces essais ont montré, qu’en augmentant la pression de contact et la viscosité du lubrifiant, le troisième corps crée par ce mélange agit comme une couche de film épais, améliorant les conditions de frottement et réduisant l’épaisseur de la couche blanche. La dernière campagne d’essais avec outils uses a permis d’évaluer l’influence de l’origine du fil, de la lubrification et du taux d’usure. Ces essais ont montré la dépendance du coefficient de frottement a l’usure des outils, a la lubrification et a l’origine du fil. Enfin, une simulation par éléments finis du procédé d’enroulement a froid des ressorts hélicoïdaux, prenant en compte les modèles d’endommagement de Lemaitre et de Lemaitre modifie (LEL), a été développée. Les résultats ont montré que le modèle de Lemaitre modifie est apte à prédire l’instant et le lieu d’apparition de l’endommagement du ressort à l’enroulement.
