Fatigue of cold work tool steel

Fatigue des aciers à outils pour travail à froid

Department of Engineering Sciences, Physics and Mathematics, University of Karlstad (Sweden)

Abstract

One important surface property of forming tools is their resistance to cracking due to fatigue loading. The wide variety of steel grades, material handling, machining operations and surface treatments will give very different fatigue properties. The present article gives examples on the influence of steel grades, EDM machining and surface coating. Initial cracks may be introduced in the tool during the processing to its final shape and surface finish, why a particular interest is given to small cracks introduced by the EDM process.

Résumé

Les outils sont par nature soumis à des sollicitations de fatigue lorsqu’ils produisent des pièces en grandes séries. Les nombreuses nuances d’aciers et les différents traitements thermiques et superficiels possibles des matériaux donnent un très large éventail de propriétés en fatigue. Cet article donne des exemples de l’influence de la nuance d’acier, de l’électroérosion et des revêtements sur la fatigue dans le contexte des outils de travail à froid. En général, des microfissures peuvent être introduites dans l’outil lors de sa fabrication, notamment par l’électroérosion : c’est pourquoi un accent particulier est donné à l’étude de la microfissuration.

La forme complexe d’un outillage rend possible des concentrations de contraintes élevées qui, combinées avec la haute dureté et la haute résistance des aciers, augmentent la sensibilité de la tenue en fatigue aux propriétés de surface. Pourtant, la sélection d’un acier de travail à froid se fait surtout sur la résistance à l’usure et à la déformation plastique et non à la fatigue ; ces critères (usure, déformation plastique) conduisent aux caractéristiques microstructurales des aciers retenus : une matrice entièrement martensitique pour une ténacité et une dureté convenables, des hautes teneurs en éléments d’alliage pour obtenir des carbures primaires de hautes dureté et résistance à l’usure, le recours à la métallurgie des poudres pour obtenir une fine dispersion des carbures favorable à la dureté, à la résistance à l’usure et à la ténacité... En fonction de ces choix, les propriétés en fatigue vont naturellement varier.

Il existe souvent des imperfections de surface résultant de l’usinage de l’outil, caractérisé par un état de surface (rugosité) spécifié, mais les coûts du polissage qui éliminerait totalement ces défauts peuvent être prohibitifs. Cet article présente l’influence des microfissures induites par l’électroérosion et le rôle des traitements de parachèvement après électroérosion sur la fatigue d’aciers de travail à froid, forgés à partir de lingots moulés ou fabriqués par métallurgie des poudres. L’étude met l’accent sur l’application industrielle en forge à froid où l’endommagement caractéristique est appelé écaillage (“chipping”) après une durée de vie de 10000 à 100000 cycles. L’article présente des résultats issus d’essais de fatigue en flexion sur des éprouvettes ayant subi différentes gammes d’électroérosion et de parachèvements, ainsi que sur des éprouvettes revêtues de couches minces céramiques dures obtenues par CVD ou PVD. Il fournit également des données sur la vitesse de propagation des fissures courtes.