Nitruration gazeuse de l'acier à outil M2 pour amélioration des propriétés mécaniques de surface des molettes de roulage - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Gas nitriding of M2 high-speed steel for improving the surface mechanical properties of rolling dies

Nitruration gazeuse de l'acier à outil M2 pour amélioration des propriétés mécaniques de surface des molettes de roulage

Yanxue Zhang
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1226657
  • IdRef : 267636733

Résumé

Thread rolling dies made of M2 high-speed steel for manufacturing electronic parking brake screws often face premature in-service failure. Damage and crack initiation occur several micrometers under the die thread surface. It is linked to the high surface rolling contact load, sliding effect and the presence of big carbides. An industrial case analysis using the Dang Van fatigue criterion shows that nitriding improves fatigue strength at the surface layer.The kinetics of gas nitriding of M2 steel is studied by controlling the parameters. Increasing nitriding potential and temperature accelerate the nitriding process because of the modification of the boundary condition and the thermochemical reaction kinetics, respectively. Gas nitriding is sensitive to the surface condition (cleanness and mechanical finishing).The hardness gradient in the nitriding layer is generally consistent with the nitrogen concentration gradient, of which the maximum value is at the surface. The residual stress evolution highly depends on the volume change induced by phase transformations during nitriding. It reaches the maximum after the carbon accumulates (at a lower depth before the nitrogen concentration declines harshly) and decreases near the surface.The limit nitriding potential for the compound layer formation is found to reach the highest surface hardness and avoid the compound layer due to its high brittleness and special microstructure (e.g. porosity).Nitriding parameters are finally defined by considering high compressive residual stresses at the surface and low effect on the core hardness. Wear resistance measurements are designed and carried out. The wear, especially adhesion, is significant on the non-nitrided M2 sample. The selected nitriding parameters effectively improved the wear resistance of M2 steel.Keywords: Gas nitriding, M2 steel, Residual stresses, Hardness, Wear resistance, Rolling contact failure
Les molettes de filetages en acier rapide M2 pour la fabrication de vis de freins de stationnement électriques sont souvent confrontées à une défaillance prématurée en service. Les dommages et l'initiation des fissures se produisent plusieurs micromètres sous la surface du filet de la filière en raison de la charge élevée de contact de roulement de surface, des effet de glissement, et par la présence de gros carbures. Une analyse de cas industriel utilisant le critère de fatigue de Dang Van montre que la nitruration augmente la résistance à la fatigue en proche surface du matériau.Les cinétiques de nitruration gazeuse de l'acier M2 sont étudiées avec plusieurs jeux de paramètres. L'augmentation du potentiel de nitruration et de la température de traitement accélère le processus de nitruration en raison de la modification des conditions aux limites et de la cinétique de la réaction thermochimique, respectivement. Le traitement de nitruration gazeuse est sensible à la propreté et à la méthode de finition mécanique de la surface traitée.Le gradient de dureté dans la couche de nitruration est généralement cohérent avec le gradient de concentration en azote, dont le maximum se situe à la surface. L'évolution des contraintes résiduelles dépend fortement du changement de volume induit par les transformations de phase provoquées par la nitruration. Elles atteignent leur maximum après l'accumulation du carbone (à une profondeur plus faible, avant que l'azote ne diminue de façon spectaculaire) et diminue près de la surface.Le potentiel limite de nitruration pour la formation de la couche de combinaison est identifié pour atteindre la dureté la plus élevée à la surface sans formation de couche de combinaison. Sa grande fragilité et sa microstructure spécifique (comme la porosité) sont des problèmes pour l’application du matériau.Les paramètres de nitruration sont finalement définis en considérant une contrainte résiduelle de compression élevée à la surface et un faible effet sur la dureté au cœur du matériau. Des mesures de résistance à l'usure sont ensuite définies et réalisées.L'usure, en particulier l'adhérence, est significative sur l'échantillon M2 non nitruré. Les paramètres de nitruration sélectionnés améliorent efficacement la résistance à l'usure de l'acier M2.Mots-clés : Nitruration gazeuse, Acier M2, Contraintes résiduelles, Dureté, Résistance à l'usure, Fatigue superficiel
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03986410 , version 1 (13-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03986410 , version 1

Citer

Yanxue Zhang. Nitruration gazeuse de l'acier à outil M2 pour amélioration des propriétés mécaniques de surface des molettes de roulage. Autre. HESAM Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022HESAE064⟩. ⟨tel-03986410⟩
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