Créé le : 03/08/2009
Résumé de l'action de caractérisation des revêtements
en emboutissage et pliage menée en 2000
"Performances de différents revêtements PVD en emboutissage et pliage"
L'utilisation de revêtements d'outil est très développée dans les entreprises de découpage/emboutissage.
Une enquête réalisée auprès de 400 entreprises de la profession en mai 1999 a ainsi montré que près de 80 % des entreprises utilisaient régulièrement des revêtements et que 20 % les utilisaient de manière généralisée.
Les revêtements permettent, en effet :
- d'augmenter la qualité de fabrication (réduction du marquage des pièces, meilleure tenue des tolérances),
- de réduire les coûts de maintenance d'outil,
- de réduire les coûts de production (diminution de la lubrification et augmentation des cadences de la presse, par exemple),
- de réduire les coûts de non-qualité,
- de favoriser la faisabilité de pièces difficiles.
Les revêtements sont utilisés pour tout type d'opération de travail de la tôle : découpage, emboutissage, pliage, etc. Actuellement, les élaborateurs de revêtements (Balzers, HEF, HIT, Sorevi, Thermilyon, par exemple) offrent à l'industrie du découpage/emboutissage un large panel de revêtements PVD et CVD pouvant couvrir l'ensemble des applications sur presses.
Ainsi, des revêtements tels que le TiN, le TiCN ou le CrN ont d'ors et déjà pénétré le marché et de nouveaux revêtements (le TiCrN, par exemple), prenant en compte les nouvelles contraintes de l'industrie (travail à sec, nouveaux matériaux travaillés) ont fait une apparition remarquée.
Le choix du revêtement peut s'effectuer en fonction de l'opération réalisée sur la tôle et de la nuance travaillée.
Cependant, il existe actuellement peu de données réellement objectives (hormis les données proposées par les fournisseurs de revêtements) pour permettre aux industriels de choisir efficacement le revêtement d'outil en fonction de l'application à laquelle il est destiné.
A la demande d'une commission représentant la profession du "Découpage-emboutissage", une campagne d'essais sur presse a été engagée au CETIM afin de définir des préconisations sur l'emploi des revêtements d'outil dans des conditions de travail de la tôle très précises.
Les opérations pour lesquelles ces préconisations ont été établies concernent :
- l'emboutissage de l'acier inoxydable,
- le pliage de l'acier galvanisé.
Dans la suite de cet article, nous allons nous attacher à décrire les essais mis en uvre sur presse au CETIM et à livrer les constats que ces campagnes nous ont amené à faire en terme de "performances" de revêtements.
1. Performances de 3 revêtements PVD dans l'emboutissage de l'acier inoxydable
a) Descriptif de l'essai
La première campagne d'essais a consisté à tester les revêtements PVD : TiCrN, TiCN et CrN dans l'emboutissage de l'acier inoxydable X2CrNi18-10 hypertrempé (épaisseur 1,2 mm) et à juger de leurs performances par rapport à des outils non revêtus.
Le TiCrN et le CrN sont des revêtements relativement récents, issus des recherches menées par les élaborateurs de revêtements. Le TiCN, plus ancien, est un revêtement de référence pour le travail de l'acier inoxydable.
Les revêtements ont été déposés sur des matrices en acier rapide HS 6.5.2 traitées à 62-64 HRC. Les essais ont été réalisés sur un outil d'emboutissage 3 passes permettant de réaliser une gamme sévère d'emboutissage pour l'acier inoxydable (voir descriptif de la gamme en annexe 1).
Les conditions d'emboutissage développées sur cet outil sont de plus en plus sévères passe après passe, tant et si bien qu'en réalisant des observations sur chacune des passes d'emboutissage, on peut considérer que l'on réalise 3 essais d'emboutissage en un.
L'essai a été réalisé avec une faible lubrification. Dix mille coups de presse ont été effectués pour tester chacun des revêtements, l'essai effectué avec les matrices non revêtues ayant été lui interrompu après 2000 coups de presse du fait de l'importance des dégradations observées.
Afin d'observer l'aspect des emboutis (en 1ère, 2ème et 3ème passe) et l'aspect des outils (en 1ère, 2ème et 3ème passe) à différents coups de presse, des prélèvements de pièces et des arrêts de presse ont été effectués à fréquences régulières. Les observations ont été effectuées à la loupe binoculaire à faible grossissement (démarche industrielle).
L'objectif de ces observations était de :
- visualiser l'apparition des premières rayures sur les emboutis et les rayons matrices,
- étudier l'évolution de l'importance de la zone rayée en fonction du nombre de coups de presse réalisés,
- visualiser les premières marques de grippage sur les emboutis et les rayons matrice (on parle de grippage quand les rayures sont suffisamment profondes pour pouvoir être senties au toucher),
- étudier l'importance de la zone grippée en fonction du nombre de coups de presse réalisés.
Une analyse comparative a été menée entre les résultats obtenus avec revêtements et les résultats obtenus sans revêtement. Nous nous sommes essentiellement intéressés à "l'augmentation de durée de vie" en terme d'apparition de rayures ou de grippage par rapport à la configuration sans revêtement.
b) Résultats
L'utilisation des revêtements testés permet de retarder fortement l'apparition de rayures et de marques de grippage sur les pièces et les outils.
Les facteurs multiplicatifs de la durée de vie par rapport à une configuration sans revêtement varient selon le degré de sévérité de l'emboutissage. Ces facteurs sont présentés dans les tableaux 1 à 4 qui suivent.
Le bénéfice des 3 revêtements sur la durée de vie et la qualité de la pièce sont d'autant plus importante que les conditions d'emboutissage sont peu sévères.
Les revêtements sont plus efficaces pour retarder fortement l'apparition du grippage que l'apparition des rayures.
La différence de durée de vie entre les matrices et les pièces montrent clairement que la cause d'un défaut pièce n'est pas toujours corrélable à une observation simple de l'état du revêtement sur l'outil (cas de l'emboutissage peu sévère).
Les performances des 3 revêtements testés sont différentes selon le degré de sévérité de l'emboutissage. On peut donc réaliser un "classement" des 3 revêtements pour chaque passe d'emboutissage de l'essai réalisé. Ce classement est basé sur l'étude de l'évolution de l'importance des zones rayées ou grippées en fonction du nombre de coups de presse.
Le classement est présenté dans le tableau 5 suivant :
On constate que, dans nos conditions d'essai :
- le TiCrN sera d'autant plus performant que les conditions d'emboutissage sont difficiles.
- le TiCN, au contraire, sera mieux adapté aux conditions d'emboutissage peu sévères.
- le CrN, s'il n'est jamais le revêtement le plus performant, présente les performances les plus "homogènes" quel que soit le degré de sévérité de l'emboutissage, et est même le plus performant dans le cas d'un emboutissage très sévère mais pour un nombre de coups de presse limité (de l'ordre de 2000 coups).
2. Performances de 3 revêtements PVD dans le pliage de l'acier galvanisé
a) Descriptif de l'essai
Cette deuxième campagne d'essais a consisté à tester les 3 revêtements PVD suivants : TiN, CrN et TiCrN dans le pliage de l'acier galvanisé DX53DZ140 (épaisseur 1,2 mm) et à comparer leurs performances par rapport à des outils non revêtus testés dans les mêmes conditions.
Ces revêtements PVD ont été déposés sur des matrices en X155CrVMo12-11 traitées à 58-60 HRC.
Les essais ont été réalisés sur un outil de pliage à suivre reproduisant une opération de tombage de bord droit. Afin de le sévériser, l'essai a été réalisé avec un léger étirage (jeu négatif). La mise en bande de la pièce est présentée en annexes.
L'essai a été réalisé avec une faible lubrification.
Dix mille coups de presse ont été réalisés pour chaque configuration.
Afin de procéder à des observations à la loupe binoculaire (faible grossissement), des pièces ont été prélevées et les matrices de pliage démontées à fréquence régulières.
L'objectif de ces observations était :
- de visualiser l'éventuelle dégradation des matrices de pliage en fonction du nombre de coups de presse réalisés,
- de visualiser l'éventuelle dégradation des pièces pliées en fonction du nombre de coups de presse réalisés,
- de pouvoir mener une analyse comparative entre :
· les résultats obtenus avec et sans revêtement,
· les résultats obtenus avec chacun des revêtements.
b) Résultats
Le principal phénomène d'usure observé dans le cadre de cette campagne d'essai sur l'acier galvanisé est le collage du zinc de la tôle sur l'outil.
Dans certains cas, l'agglomérat de zinc va conduire au grippage, notamment sur les rayons de l'outil.
On constate que :
L'utilisation des revêtements TiN et CrN permet de retarder fortement l'apparition du collage sur les matrices.
Commentaires
Après 10000 coups de presse, on ne relève aucune zone de collage ni aucun autre phénomène de dégradation sur les matrices revêtues de TiN. Par rapport aux matrices non revêtues, l'apparition du collage est retardé d'au moins un facteur 200.
Sur les matrices revêtues de CrN, on observe une légère zone de collage palpable au toucher sur le rayon supérieur de la matrice à partir de 2000 coups. L'importance de cette surface "collée" reste très inférieure à celle observée, pour un même nombre de coups sur la matrice non revêtue. On détecte les premières zones grippées sur le rayon de la matrice revêtue de CrN à partir de 8000 coups (contre 2000 coups sur la matrice non revêtue).
Pour chaque type d'essai, l'utilisation du revêtement TiCrN n'améliore pas les performances de durée de vie de l'outil.
Commentaires
Dès 50 coups de presse, on observe d'importantes zones collées sur la matrice revêtue de TiCrN (quasiment 100 % de la partie travaillante est recouverte de zinc).
Le dépôt de zinc est tel qu'il est nécessaire d'interrompre l'essai au bout de 6000 coups, les paillettes de zinc venant entraver le bon fonctionnement de l'outil (claquement du serre-flan).
Pour ce type d'essai, il sera donc préférable de ne pas revêtir l'outil plutôt que d'y déposer un revêtement TiCrN.