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HAL Id: hal-00724793 https://hal-mines-paristech.archives-ouvertes.fr/hal-00724793 Submitted on 23 Aug 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Tests Tribologiques et mécaniques de différents revêtements PVD pour cylindres de laminoirs à bandes en acier Haut Carbone Choumad Ould, Xavier Badiche, Pierre Montmitonnet, Yves Gachon To cite this version: Choumad Ould, Xavier Badiche, Pierre Montmitonnet, Yves Gachon. Tests Tribologiques et mé- caniques de différents revêtements PVD pour cylindres de laminoirs à bandes en acier Haut Carbone. JIFT 2012 - 24e Journées Internationales Francophones de Tribologie, May 2012, Aix-en-Provence, France. p. 179-188 - ISBN 978-2-35671-037-6. hal-00724793 Tribologie et Développement Durable 9-11 mai 2012, Aix-en-Provence, France TESTS TRIBOLOGIQUE ET MECANIQUE DE DIFFERENTS REVETEMENTS PVD POUR CYLINDRES DE LAMINOIRS A BANDES EN ACIER HAUT CARBONE MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL EVALUATION OF PVD COATINGS FOR HIGH CARBON STEEL STRIPS ROLLING MILL ROLLS Choumad Ould 1,2, Xavier Badiche 2, Pierre Montmitonnet 1, Yves Gachon 2 1 MINES ParisTech - CEMEF - UMR CNRS 7635 - BP 207 - 06904 Sophia-Antipolis - France 2 HEF R&D - Z.I. Sud - rue Benoît Fourneyron - 42166 Andrézieux-Bouthéon - France Résumé On étudie l’application aux cylindres de laminoir de revêtements PVD initialement développés pour l’usinage : TiN, TiBN, CrN, aux fins de remplacement du revêtement existant, le chrome dur. Les propriétés essentielles sont comparées à l’aide de l’essai bague plan (cet essai en glissement total est très sensible à l’usure adhésive) et de l’essai Amsler (roulement avec glissement sous forte charge hertzienne, qui teste la résistance de l’interface à l’écaillage). On montre que CrN, peut-être du fait de fortes contraintes résiduelles, est le seul à s’écailler dans les conditions de l’essai Amsler (2 GPa de pression maximale de Hertz, 10 6 cycles). Contre l’adhésion, TiN est décevant, alors que CrN et TiBN, aussi bien que Cr, empêchent le grippage jusqu’à la charge maximale de l’essai bague – plan. Abstract PVD coatings (CrN, TiN, TiBN) initially developed for cutting tools, are applied tentatively to rolling mill rolls to replace the existing coating, hard chromium. Major properties are studied using a ring-on- plate test (due to total sliding, it is very sensitive to seizure and adhesive wear) and the Amsler test (rolling with sliding under high hertzian load, testing the interface resistance against flaking). CrN is shown to be the only coating that flakes, maybe due to high residual stress, under the present conditions of the Amsler test (2 GPa maximum hertzian pressure, 10 6 cycles). Against adhesion, TiN is disappointing, whereas TiN and TiBN perform as well as Cr, preventing seizure up to the maximum load of the ring-on-plate test. 1. INTRODUCTION Les caractéristiques tribologiques et la résistance mécanique de la couche superficielle influencent fortement la productivité du laminage et la durée de vie des cylindres avant changement et rectification. Ces deux paramètres, productivité et durée de vie, déterminent le coût du laminage. En effet, l’apparition du phénomène de transfert adhésif bande  cylindres détermine la charge maximale pour chaque vitesse de laminage, donc la réduction et par là, la productivité. L’usure et l’endommagement (écaillage) sont quant à eux les principaux facteurs motivant le remplacement des cylindres (leur durée de vie). Ces différents phénomènes, transfert adhésif, usure et écaillage, sont tous directement liés aux 2 Tribologie et Développement Durable – Aix-en-Provence 2012 caractéristiques de la couche superficielle des cylindres. Il est donc particulièrement important de doter les cylindres d’une couche ayant l’ensemble des caractéristiques tribologiques et mécaniques permettant l’améliorer la productivité et la durée de vie. Des cylindres en aciers rapides et des cylindres chromés sont aujourd’hui utilisés dans l’industrie. Le chromage a permis une amélioration de la durée de vie mais la toxicité des bains de chromage constitue un défaut environnemental majeur qui justifie la recherche de son remplacement. Les revêtements céramiques PVD et PECVD sont aujourd’hui largement utilisés pour améliorer la durée de vie des outils de coupe, grâce à leur dureté et leurs caractéristiques tribologiques qui leur confèrent une grande résistance à l’usure [1,2]. Dans cette étude, nous évaluons le potentiel en laminage de différents revêtements PVD issus entre autres du monde de l’usinage : CrN, TiBN et TiN, en les comparant à des aciers à outils sans revêtement et à l’acier chromé. Cette évaluation s’effectue en analysant les caractéristiques tribologiques et mécaniques grâce à deux essais bien adaptés :  Le premier est l’essai bague / plan (Figure 1). Il permet d’observer l’évolution avec la charge du coefficient de frottement en régime de lubrification limite, à différentes vitesses de rotation. On détermine ainsi, pour les différents revêtements testés, à quel couple charge - vitesse le phénomène de transfert adhésif apparaît. On a ainsi une estimation relative du niveau de productivité que chaque revêtement permettrait d’obtenir lors du laminage des bandes en acier haut carbone.  Le deuxième est l’essai Amsler qui évalue la résistance à la fatigue des revêtements étudiés et par là, son potentiel d’amélioration de la durée de vie des cylindres. Par ces essais, on ne cherche pas à simuler les conditions de contact dans l’emprise d’un laminoir, mais à se placer dans des conditions particulièrement sévères vis-à-vis d’une part du transfert adhésif, d’autre part de l’écaillage du revêtement. Si le premier est clairement dédié au contact tôle - cylindre, le second, contact symétrique entre deux galets identiques, ressemble davantage au contact entre cylindre de travail et cylindre d’appui. 2. BIBLIOGRAPHIE : REVETEMENTS PVD EN LAMINAGE En usinage, les revêtements PVD se sont taillé une place essentielle depuis longtemps [1-3]. De par leur dureté, ils possèdent une grande résistance à l’usure. De plus, ces céramiques ont des propriétés anti-adhésives appréciables. Enfin, elles peuvent jouer le rôle de barrière de diffusion contre des modes d’usure de type cratérisation. Les conditions rencontrées lors de la mise en forme à froid sont dans une certaine mesure moins sévères, en termes de température en particulier ; cependant, les pressions peuvent être supérieures en forge à froid ou en laminage à froid, au-delà du GPa [4]. Un autre facteur de sévérité est la grande surface à recouvrir, même si l’on ne traite que la partie active des outils : le risque de défaut local s’en trouve accru [5]. Or, dans une opération telle que le laminage, un défaut même très local est rédhibitoire : très visible par contraste, il dégrade irrémédiablement la qualité de surface du produit. Les passes amont sont moins risquées, car on peut espérer effacer un tel défaut lors des opérations de finition. Cependant, l’applicabilité à la forge à froid par exemple n’est plus à démontrer, même si [4] montre l’impact de la rugosité finale sur le frottement et les défauts de surface sur la pièce forgée (les pics protubérants sont à proscrire, ou à roder). En laminage, plusieurs études prônent l’utilisation de cylindres en céramique massive [6,7] pour leurs bonnes propriétés anti-adhésives ; mais la fragilité d’objets de grande taille en céramique reste problématique. Pour les revêtements PVD / CVD, on ne trouve guère qu’une étude de TiN pour le laminage à froid des aciers au carbone [8,9]. Azushima et collaborateurs ont montré qu’un revêtement TiN pouvait permettre de repousser la limite d’apparition des « heat streaks » (griffes de chaleur, adhésion locale tôle – cylindre assimilable à un grippage suite à la rupture du film lubrifiant). Ce sont donc là encore les propriétés anti-adhésives qui ont été mises en valeur. La productivité en est améliorée, en augmentant les réductions à vitesse donnée. Cependant, à notre connaissance, ces résultats n’ont pas été transposés à l’échelle industrielle, il reste donc place pour une étude plus poussée sur TiN, ainsi que pour d’autres revêtements PVD peut-être mieux adaptés. Revêtements PVD de cylindres de laminoir à froid 3 3. MATERIAUX ET REVETEMENTS L’étude dans son ensemble porte sur l’application de revêtements PVD tant pour le laminage des aciers au carbone, que pour les aciers inoxydables ou l’aluminium, même si l’on ne rapporte ici que les résultats sur le laminage d’un acier haut carbone, de type C100S (1%C). Deux aciers à cylindres ont donc été sélectionnés :  Un acier au chrome (100Cr5MoV), trempé – revenu à 180°C, de dureté 62 HRC (environ 700 Hv)  Un acier rapide, 130W6Mo5Cr4V3, de dureté 65 HRC (environ 840 Hv). Le premier est caractéristique du laminage des alliages légers, moins durs et peu abrasifs, alors que le second est utilisé pour les aciers durs. Les revêtements ont été réalisés dans les mêmes conditions sur les deux aciers à outils. C’est pourquoi la température de dépôt est inférieure à 180°C, température de revenu de l’acier au chrome. Leurs caractéristiques sont reportées tableau 1. Cr TiN TiBN CrN Epaisseur (µm) 9,4 2,7 2,3 3,1 uploads/Industriel/ tribologie.pdf