1. Présentation

Les fils de tungstène, d'une épaisseur de plusieurs à plusieurs dizaines de micromètres, sont formés plastiquement en spirales et utilisés pour les sources lumineuses à incandescence et à décharge. La fabrication du fil est basée sur la technologie des poudres, c'est-à-dire que la poudre de tungstène obtenue par un procédé chimique est soumise successivement au pressage, au frittage et au formage plastique (forgeage rotatif et étirage). Notez que le processus d’enroulement du fil doit donner de bonnes propriétés plastiques et une élasticité « pas trop élevée ». D'autre part, en raison des conditions d'exploitation des spirales et surtout de la résistance élevée au fluage requise, les fils recristallisés ne sont pas adaptés à la production, surtout s'ils ont une structure à gros grains.

Modifier les propriétés mécaniques et plastiques des matériaux métalliques, en particulier réduire le fort écrouissage sans traitement de recuit est possible grâce à une formation mécanique. Ce procédé consiste à soumettre le métal à des déformations répétées, alternées et peu plastiques. Les effets de la contraflexion cyclique sur les propriétés mécaniques des métaux sont documentés, entre autres, dans l'article de Bochniak et Mosor [1], utilisant ici des bandes de bronze à l'étain de CuSn à 6,5 %. Il a été démontré que la formation en mécanique conduit à un adoucissement du travail.
Malheureusement, les paramètres mécaniques des fils de tungstène déterminés lors de simples essais de traction uniaxiale sont bien insuffisants pour prédire leur comportement dans le processus de production de spirales. Ces fils, malgré des propriétés mécaniques similaires, se caractérisent souvent par une sensibilité au bobinage très différente. Par conséquent, lors de l’évaluation des caractéristiques technologiques du fil de tungstène, les résultats des tests suivants sont considérés comme plus fiables : enroulement du fil d’âme, torsion unidirectionnelle, compression en lame de couteau, pliage et étirement ou cerclage réversible [2] . Récemment, un nouveau test technologique a été proposé [3], dans lequel le fil est soumis simultanément à une torsion et à une tension (test TT), et l'état de contrainte, de l'avis des auteurs, est proche de celui qui se produit dans le processus de production. des filaments. De plus, les résultats des tests TT réalisés sur des fils de tungstène de différents diamètres ont montré sa capacité à anticiper leur comportement ultérieur au cours des processus technologiques [4, 5].

L'objectif des travaux présentés ici est de répondre à la question de savoir si, et si, dans quelle mesure l'utilisation du traitement de déformation cyclique (CDT) sur fil de tungstène par flexion multilatérale continue avec méthode de cisaillement [6], peut modifier ses propriétés mécaniques et technologiques. propriétés importantes.

D'une manière générale, la déformation cyclique des métaux (par exemple par traction et compression ou flexion bilatérale) peut s'accompagner de deux processus structurels différents. La première est caractéristique des déformations de petites amplitudes et

Il s’agit de phénomènes dits de fatigue, qui font que le métal fortement écroui se transforme en un métal adouci avant sa destruction [7].

Le deuxième processus, dominant lors de déformations à fortes amplitudes de déformation, produit une forte hétérogénéisation des bandes de cisaillement génératrices d'écoulement plastique. Il en résulte une fragmentation drastique de la structure métallique, en particulier la formation de grains de taille nanométrique, donc une augmentation significative de ses propriétés mécaniques au détriment de l'ouvrabilité. Un tel effet est obtenu par exemple dans le procédé d'ondulation et de redressement répétitif continu développé par Huang et al. [8], qui consiste en un passage (roulage) multiple et alterné de bandes entre les rouleaux « à engrenages » et lisses, ou de manière plus sophistiquée, qui est une méthode de pliage continu sous tension [9], où la bande étirée est contraflexé en raison d'un mouvement réversible le long de sa longueur d'ensemble de rouleaux rotatifs. Bien entendu, la fragmentation extensive des grains peut également être obtenue lors de déformations monotones avec de fortes déformations, en utilisant les méthodes dites de Déformation Plastique Sévère, en particulier les méthodes d'Extrusion Angulaire à Canal Égal [10] satisfaisant le plus souvent les conditions de simple cisaillement du métal. Malheureusement, ils sont principalement utilisés à l’échelle du laboratoire et ce n’est techniquement pas possible

de les utiliser pour obtenir des propriétés mécaniques spécifiques de longues bandes ou de fils.

Certaines tentatives ont également été faites pour évaluer l'influence du cisaillement cycliquement changeant appliqué avec de petites déformations unitaires sur la capacité à activer les phénomènes de fatigue. Les résultats d'études expérimentales réalisées [11] sur des bandes de cuivre et de cobalt par contreflexion avec cisaillement ont confirmé la thèse ci-dessus. Si la méthode de contreflexion avec cisaillement est assez facile à appliquer sur des pièces métalliques plates, l'application plus directe pour les fils n'a pas de sens, car, par définition, elle ne garantit pas l'obtention d'une structure homogène, et donc de propriétés identiques sur la circonférence (avec un rayon arbitrairement orienté) du fil. Pour cette raison, cet article utilise une nouvelle méthode originale de CDT conçue pour les fils fins, basée sur une flexion multilatérale continue avec cisaillement.

Fig. 1 Schéma du processus de formation mécanique des fils :1 fil de tungstène,2 bobine avec fil à dérouler,3 système de six matrices tournantes,4 bobine d'enroulement,5 casser le poids, et6 frein (cylindre en acier avec une bande de bronze étain autour)

2. Expérimentez

La CDT d'un fil de tungstène d'un diamètre de 200 μm a été réalisée sur un dispositif de test spécialement construit dont le schéma est illustré à la Fig. 1. Fil non enroulé (1) de la bobine

(2) de diamètre 100 mm, a été introduit dans un système de six matrices (3), percées de trous du même diamètre que le fil, qui sont fixées dans un boîtier commun et tournent autour de l'axe à une vitesse de 1.350 tr/min. min. Après passage dans le dispositif, le fil a été enroulé sur la bobine (4) d'un diamètre de 100 mm tournant à une vitesse de 115 tr/min. Les paramètres appliqués déterminent que la vitesse linéaire du fil par rapport aux matrices rotatives est de 26,8 mm/tour.

Une conception appropriée du système de matrices signifiait qu'une matrice sur deux tournait de manière excentrique (Fig. 2) et que chaque morceau de fil passant à travers les matrices rotatives était soumis à une flexion multilatérale continue avec cisaillement induit par le repassage au bord de la surface intérieure des matrices.

Fig. 2 Disposition schématique des matrices rotatives (étiquetées avec le numéro3 sur la figure 1)

Fig. 3 Système de matrices : une vue générale ; b pièces de base :1 matrices centrées,2 matrices excentriques,3 anneaux d'espacement

Le fil non enroulé était sous l'influence d'une contrainte initiale due à l'application d'une tension, qui non seulement le protège de l'enchevêtrement, mais détermine également la participation mutuelle de la déformation par flexion et par cisaillement. Cela a été possible grâce au frein monté sur la bobine sous la forme d'une bande de bronze à l'étain pressée par un poids (désigné par 5 et 6 sur la figure 1). La figure 3 représente l'aspect du dispositif de formation une fois plié, ainsi que chacun de ses composants. L'entraînement des fils a été réalisé avec deux poids différents :

4,7 et 8,5 N, jusqu'à quatre passages dans le jeu de matrices. Les contraintes axiales s'élevaient respectivement à 150 et 270 MPa.

Des essais de traction du fil (à la fois dans son état initial et entraîné) ont été effectués sur la machine d'essai Zwick Roell. La longueur de jauge des échantillons était de 100 mm et le taux de déformation en traction était

8×10⁻³ s⁻¹. Dans chaque cas, un point de mesure (pour chaque

des variantes) représente au moins cinq échantillons.

Le test TT a été effectué sur un appareil spécial dont le schéma est illustré sur la figure 4 présentée précédemment par Bochniak et al. (2010). Le centre du fil de tungstène (1) d'une longueur de 1 m a été placé dans un loquet (2), puis ses extrémités, après passage dans les rouleaux de guidage (3), et fixation de poids (4) de 10 N chacun, ont été bloqués dans une pince (5). Le mouvement de rotation du loquet (2) a entraîné l'enroulement de deux morceaux de fil

(enroulés sur eux-mêmes), avec les extrémités fixées de l'échantillon testé, a été réalisé avec une augmentation progressive des contraintes de traction.

Le résultat du test était le nombre de torsions (N_T) nécessaires pour rompre le fil et se produisaient généralement sur le devant de l'enchevêtrement formé, comme le montre la figure 5. Au moins dix tests par variante ont été effectués. Après l’entraînement, le fil avait une forme légèrement ondulée. Il convient de souligner que selon les articles de Bochniak et Pieła (2007) [4] et Filipek (2010)

[5] le test TT est une méthode simple, rapide et peu coûteuse pour déterminer les propriétés technologiques des fils destinés au bobinage.

Fig. 4 Schéma du test TT :1 fil testé,2 loquet entraîné en rotation par un moteur électrique, couplé au dispositif d'enregistrement par torsion,3 rouleaux de guidage,4des poids,5 mâchoires serrant les extrémités du fil

3. Résultats

L'effet de la tension initiale et du nombre de passes dans le processus CDT sur les propriétés des fils de tungstène sont représentés sur les figures 1 et 2. 6 et 7. Une large dispersion des paramètres mécaniques du fil obtenus illustre l'ampleur de l'inhomogénéité du matériau obtenu par la technologie des poudres, et par conséquent, l'analyse effectuée se concentre sur les tendances des changements des propriétés testées et non sur leurs valeurs absolues.

Le fil de tungstène commercial se caractérise par des valeurs moyennes de limite d'élasticité (YS) égales à 2 026 MPa, une résistance à la traction ultime (UTS) de 2 294 MPa, un allongement total de

A≈2,6 % et le N_Tjusqu'à 28. Indépendamment du

l'ampleur de la tension appliquée, le CDT n'entraîne qu'un petit

diminution de l'UTS (ne dépassant pas 3 % pour le fil après quatre passages), et tant YS queA restent relativement au même niveau (Fig. 6a – c et 7a – c).

Fig. 5 Vue du fil de tungstène après rupture lors du test TT

Fig. 6 Effet de l'entraînement mécanique (nombre de passes n) sur les aspects mécaniques (a–c) et technologiques (d) (définis par N_Tdans le test TT) propriétés du fil de tungstène ; valeur de poids attachée de 4,7 N

CDT entraîne toujours une augmentation significative du nombre de torsions de fil N_T. En particulier, pour les deux premiers passages, N_Tatteint plus de 34 pour une tension de 4,7 N et près de 33 pour une tension de 8,5 N. Cela représente une augmentation d'environ 20 % par rapport au fil commercial. L'application d'un nombre plus élevé de passes entraîne une nouvelle augmentation de N_Tuniquement dans le cas d'un entraînement sous tension de 4,7 N. Le fil après quatre passages montre la grandeur moyenne de N_Tdépassant 37, ce qui, par rapport au fil dans son état initial, représente une augmentation de plus de 30 %. Un entraînement plus poussé du fil à des tensions plus élevées ne modifierait plus l'ampleur de N précédemment atteint._Tvaleurs (figures 6d et 7d).

4. Analyse

Les résultats obtenus montrent que la méthode utilisée pour le fil de tungstène CDT ne modifie pratiquement pas ses paramètres mécaniques déterminés lors des essais de traction (il n'y a qu'une légère diminution de la résistance à la traction ultime), mais augmente significativement sa résistance à la traction.

propriétés technologiques destinées à une production de spirales ; ceci est représenté par le nombre de torsions dans le test TT. Cela confirme les résultats d’études antérieures de Bochniak et Pieła (2007).

[4] sur le manque de convergence des résultats des essais de traction avec le comportement observé des fils dans le processus de fabrication des spirales.

La réaction des fils de tungstène sur le processus de CDT dépend de manière significative de la tension appliquée. A faible tension, on observe une croissance parabolique du nombre de torsions avec le nombre de passes, tandis que l'application de valeurs de tension plus grandes conduit (déjà après deux passes) à atteindre l'état de saturation et la stabilisation des progrès technologiques précédemment obtenus. propriétés (figures 6d et 7d).

Une réponse aussi diversifiée du fil de tungstène souligne le fait que l’ampleur de la tension détermine le changement quantitatif à la fois de l’état de contrainte et de l’état de déformation du matériau et par conséquent son comportement élasto-plastique. L'utilisation d'une tension plus élevée pendant le processus de pliage du plastique dans le fil passant entre des matrices successives mal alignées entraîne un rayon de courbure du fil plus petit ; par conséquent, la déformation plastique dans une direction perpendiculaire à l'axe du fil responsable du mécanisme de cisaillement est plus importante et conduit à un écoulement plastique localisé dans les bandes de cisaillement. D'autre part, une faible tension provoque le processus CDT du fil avec une plus grande participation de la déformation élastique (c'est-à-dire que la partie de déformation plastique est plus petite), ce qui favorise la prédominance d'une déformation homogène. Ces situations sont nettement différentes de celles se produisant lors de l’essai de traction uniaxiale.

Il convient également de noter que le CDT n'améliore les caractéristiques technologiques que pour des fils de qualité suffisante, c'est-à-dire ne présentant pas de défauts internes significatifs (pores, vides, discontinuités, microfissures, manque d'adhérence de continuité suffisante aux joints de grains, etc. .) résultant de la production de fil par métallurgie des poudres. Sinon, la dispersion croissante de la valeur obtenue des torsions N_Tainsi qu'une augmentation du nombre de passes indique une différenciation croissante de la structure du fil dans ses différentes parties (sur la longueur), ce qui peut également servir de critère utile pour évaluer la qualité d'un fil commercial. Ces problèmes feront l’objet d’investigations futures.

Fig. 7 Effet de l'entraînement mécanique (nombre de passes n) sur les aspects mécaniques (a–c) et technologiques (d) (définis par N_Tdans le test TT) propriétés du fil de tungstène ; valeur de poids attachée de 8,5 N

5. Conclusions

1 ， Le CDT des fils de tungstène améliore leurs propriétés technologiques, telles que définies dans le test de torsion avec tension par N_Tavant de se fracturer.

2， L'augmentation du N_TUn indice d'environ 20 % est atteint par un fil soumis à deux séries de CDT.

3， L'ampleur de la tension du fil dans le processus de CDT a un impact significatif sur ses propriétés technologiques définies par la valeur du N_Tindice. Sa valeur la plus élevée était atteinte par un fil soumis à une légère tension (contrainte de traction).

4， L'utilisation à la fois d'une tension plus élevée et d'un plus grand nombre de cycles de flexion multilatérale avec cisaillement n'est pas justifiée car cela ne fait que stabiliser la valeur précédemment atteinte du N._Tindice.

5， L'amélioration significative des propriétés technologiques du fil de tungstène CDT ne s'accompagne pas d'un changement des paramètres mécaniques déterminés lors des essais de traction, confirmant la croyance en la faible utilité d'un tel test pour anticiper le comportement technologique du fil.

Les résultats expérimentaux obtenus démontrent l'adéquation CDT du fil de tungstène pour la production de spirales. En particulier, grâce à la méthode utilisée pour avancer successivement la longueur du fil, une flexion cyclique et multidirectionnelle avec peu de déformation provoque une relaxation des contraintes internes. Pour cette raison, la tendance à la rupture du fil lors du formage plastique des spirales est limitée. En conséquence, il a été confirmé que la réduction de la quantité de déchets dans les conditions de fabrication augmente l’efficacité du processus de production en éliminant les temps d’arrêt des équipements de production automatisés dans lesquels, après la rupture du fil, un arrêt d’urgence doit être activé « manuellement ». par l'opérateur.