Identification of wear mechanisms of a WC-6%Co grade in machining by combining thermal and tribological approaches
Contribution à l'identification des mécanismes d'usure en usinage d'un WC-6%Co par une approche tribologique et thermique
Résumé
The aim of this work is to study wear mechanisms of WC-6%Co cutting-tools in machining by turning. Damage modes are controlled by complex damage mechanisms. They combine abrasion, adhesion and diffusion. Furthermore, they are highly dependant of the temperature levels at tool/material interfaces. In the present study two mains approaches are considered: on the one hand machining by turning and on the other hand tribological tests. In both cases temperature measurements and temperature modelling have been performed. Complementary results have been obtained, resulting in a better understanding of wear behaviour between WC-6%Co and a C45 steel grade. Mains wear mechanisms were identified. They deal with: - large modifications of the WC-6%Co microstructure due to critical mechanical loadings and to high temperature levels (up to 1200°C), - mobility of WC grains due to the viscoplastic behaviour of the cobalt based binder phase at high temperature. Such a mobility leads to intergranular microcracking phenomena and to WC fragmentation and debonding mechanisms, - intragranular microcracking and strain phenomena, that can lead to WC grain fragmentation, due to stress concentrations, - abrasion due to extracted WC fragments and to hard particules extracted from the C45 steel too, - adhesion, particularly at the end of the contact area between tool and chip.
Ces travaux de thèse ont pour objectif d'étudier les mécanismes d'usure d'outils de coupe en WC-6%Co dans le cas de l'usinage en tournage. Les mécanismes qui gouvernent les principaux modes d'endommagement de ces outils sont complexes, combinant abrasion, adhésion et diffusion. Il faut par ailleurs noter que ces mécanismes dépendent fortement de la température aux interfaces de frottement outil/matière. Ainsi, l'étude a été réalisée par des approches complémentaires d'usinage et de tribologie avec mesures de température. Ces approches ont été menées à la fois au plan expérimental et au plan de la modélisation et de la simulation numérique. L'ensemble des résultats obtenus a permis d'améliorer la compréhension du comportement en frottement entre le WC-6%Co et l'acier C45. La nature et le séquencement des principaux mécanismes d'usure du WC-6%Co ont ainsi pu être identifiés. Ils consistent en : - une désorganisation de la structure du WC-6%Co sous des chargements mécaniques sévères et des températures qui peuvent atteindre 1200°C, - une mobilité des grains de WC qui est rendue possible par le comportement viscoplastique du liant cobalt, une conséquence de cette mobilité est la microfissuration intergranulaire et la décohésion des fragments de WC, - une déformation des grains de WC et une microfissuration intragranulaire qui peut aller jusqu'à la fragmentation de ces grains, causée par les chargements excessifs et le blocage des grains de WC mobiles, - une abrasion induite par les fragments de WC arrachés et également par des inclusions dures de l'acier usiné, - une adhésion, particulièrement importante dans la zone de séparation outil/copeau.