En production de visserie, la surface s'agrandit plusieurs fois ; une huile liquide ne peut pas supporter cette pression de contact. Comment la couche de phosphate poreuse et le film de savon travaillent ensemble, et comment choisir ce couple selon la sévérité de la déformation.
En frappe à froid, le frottement n'est pas un effet secondaire du procédé ; c'est l'une des principales variables qui en fixent les limites. Quand la tête d'une vis est refoulée en un seul poste, la surface de la pièce s'agrandit plusieurs fois, la pression à l'interface outil–pièce dépasse la limite d'élasticité du matériau et la température monte localement. Dans ces conditions, ce qui tient l'interface n'est pas la dureté de l'outil mais le mince film lubrifiant qui empêche les deux métaux de se toucher. Dès que le film se déchire, la suite n'est pas l'usure de l'outil mais l'adhésion — le grippage.
La lubrification en formage à froid n'est donc pas un problème de choix d'huile mais un problème de conception de système : une couche porteuse poreuse liée chimiquement à la surface du métal, et une surface de cisaillement posée dessus. Le couple phosphate de zinc KIMSOL et savon de tréfilage Kimkal, que Kimfosan produit depuis 1982, sépare exactement ces deux fonctions. Nous verrons ci-dessous pourquoi cette séparation est nécessaire, comment le coefficient de frottement se traduit dans les résultats du procédé et comment l'approche change avec la sévérité de la déformation.
En usinage, ou dans une opération de pliage modérée, les surfaces en contact restent en grande partie les mêmes. En formage à froid, au contraire, la surface augmente rapidement à mesure que la pièce remplit l'empreinte de l'outil. Dans une ébauche d'écrou obtenue par filage arrière, ou dans une tête de vis à embase, chaque unité de surface initiale devient plusieurs unités de surface à la fin de l'opération.
Pour la lubrification, cela signifie qu'une surface métallique neuve, chimiquement active et non couverte de lubrifiant, est exposée en continu pendant le procédé. La pression de contact entre cette surface neuve et l'outil se chiffre en centaines de MPa, et la chaleur de déformation accumulée à l'interface abaisse la viscosité de l'huile. Une huile liquide ne peut pas former de film hydrodynamique dans ces conditions ; elle est chassée de la surface de l'outil et repoussée sur le côté. Pour que le film survive, il faut une structure capable de s'étendre avec la surface en expansion et d'être alimentée par un réservoir.
Le système phosphate + savon résout ce problème en séparant les fonctions. Dans un bain de phosphatation au zinc KIMSOL, une réaction de conversion a lieu entre la solution acide et la surface d'acier nettoyée, et une couche de phosphate de zinc cristalline et poreuse, liée chimiquement au métal, y croît. Cette couche n'est pas en soi un bon lubrifiant ; sa fonction est d'être un porteur. Sa structure poreuse forme un réservoir pour le lubrifiant, sa structure cristalline offre au savon une surface d'accrochage, et elle sépare physiquement le contact direct acier sur acier.
La seconde couche est le savon de tréfilage Kimkal appliqué sur le phosphate. Avec les savons réactifs, le savon de sodium réagit avec le zinc de la couche de phosphate pour former en surface un savon de zinc (savon métallique) ; cette couche est accrochée chimiquement au phosphate et présente une faible résistance au cisaillement. Avec les savons neutres, l'adhérence mécanique remplace la liaison chimique et le savon se loge physiquement dans les pores du phosphate. Dans les deux cas, le cisaillement pendant la déformation a lieu dans la couche de savon — et non entre l'outil et la pièce.
Le phosphate ne lubrifie pas, il retient le savon. Le savon ne porte pas, il cisaille. Le système ne fonctionne que si chacun fait son propre travail.
Cette répartition des rôles est l'aspect le plus souvent mal compris du système. Un film de savon appliqué seul, sur de l'acier sans phosphate, est arraché dès le premier poste ; un phosphate laissé sans savon ne peut pas ramener le frottement à un niveau acceptable et peut même se comporter de manière abrasive. La ligne est donc toujours organisée ainsi : dégraissage → rinçage/activation → phosphatation → savon → formage ; aucune étape intermédiaire n'est facultative.
Le coefficient de frottement à l'interface se traduit directement dans trois résultats du procédé, qui se dégradent généralement ensemble :
En production, le coefficient de frottement ne se mesure pas directement ; on utilise comme indicateurs indirects l'évolution de l'effort de presse, l'intervalle de changement d'outil et la surface de la pièce. Une hausse progressive de l'effort de presse sur le même produit est généralement le premier signal d'une dégradation du système de lubrification — non parce que l'outil s'est usé, mais parce que le film s'est affaibli.
Le choix du poids de couche n'est pas une question de valeur standard ; il dépend de la sévérité du travail effectué. Un refoulement de tête léger et un filage arrière multi-étapes ne demandent pas la même épaisseur de film. Plus de couche n'est pas non plus une solution : une couche de phosphate épaisse et fragile se désagrège pendant la déformation, farine et s'accumule dans l'empreinte et dans le bain de savon. Le tableau ci-dessous résume comment ce choix se situe dans la plage de 3 à 15 g/m² de KIMSOL.
| Sévérité | Opération type | Tendance du poids de couche | Approche savon |
|---|---|---|---|
| Légère | Refoulement de tête, calibrage léger, étirage d'extrémité court | Bas de la plage (bande 3–6 g/m²) | Un savon neutre suffit généralement ; la continuité du film est la priorité |
| Moyenne | Formage de vis multi-étapes, filage avant, ébauche d'engrenage | Milieu de la plage (bande 6–10 g/m²) | Réactif ou neutre ; décidé selon le nombre de postes et l'expansion de surface |
| Sévère | Filage arrière, formage d'écrous/douilles, forte expansion de surface | Haut de la plage (bande 10–15 g/m²) | Savon réactif ; on vise une liaison chimique avec le phosphate et une couche de cisaillement plus résistante |
| Extrême / critique | Géométrie d'outil critique, fortes réductions répétées | Haut de la plage + suivi régulier du poids de couche | Savon réactif ; entretien du bain et contrôle de l'épaisseur du film obligatoires |
Sur une presse de frappe à froid multi-postes, le film ne peut pas être renouvelé après le premier poste. Ce qui a été déposé sur la surface avant l'entrée du fil doit porter la pièce à travers les cinq ou six étapes. Le film consommé au premier poste n'est plus disponible pour la forme la plus exigeante au dernier. Le système se dimensionne donc pour le poste le plus sévère — pas pour le poste moyen.
Sur le terrain, la défaillance du film s'annonce selon un schéma assez familier. Un collage brillant sur l'outil et des rayures axiales sur la pièce sont les premiers signes d'adhésion (grippage). Une hausse progressive de l'effort de presse pour le même produit et la même matière, une durée de vie d'outil inférieure aux attentes, des surfaces marbrées mat-brillant sur la pièce et, au stade final, la rupture du poinçon ou de la matrice sont autant de suites de la même chaîne. Quand ces symptômes apparaissent, il faut regarder d'abord non pas le matériau de l'outil mais l'efficacité du dégraissage, le poids de couche de phosphate et la concentration du bain de savon.
Outre le phosphate + savon, des lubrifiants à film sec à base de polymère en une seule étape sont aussi utilisés. Ces systèmes présentent des avantages en matière d'effluents et de nombre d'étapes ; toutefois, dans les opérations de frappe à froid sévères où l'expansion de surface est très forte, leur performance dépend fortement de la géométrie de la pièce et de la matière, et ils ne remplacent pas le système phosphate–savon dans toutes les applications. La bonne approche consiste à évaluer les alternatives pièce par pièce, par essais, plutôt que par principe. Pour les déformations sévères, le phosphate + savon reste le système de référence le plus utilisé, et la raison en est la répartition des rôles porteur–lubrifiant décrite au début de cet article. Pour les critères de choix côté savon, voir le choix du savon de tréfilage.
En formage à froid, la surface de la pièce s'agrandit plusieurs fois pendant l'opération et la pression de contact dépasse la limite d'élasticité du matériau. Une huile liquide est chassée de l'interface sous cette pression et ne peut pas alimenter la surface de métal neuf en expansion. Comme la couche de phosphate fournit au lubrifiant un réservoir et une surface d'accrochage, le film survit pendant toute la déformation.
Non. Le phosphate de zinc est une couche porteuse, pas un lubrifiant ; sa structure cristalline poreuse retient le savon et sépare le contact acier sur acier. Sans savon appliqué dessus, le frottement ne descend pas à un niveau acceptable, et dans certaines conditions la couche peut même se comporter de manière abrasive. Le système fonctionne avec le phosphate et le savon ensemble.
Le poids de couche se choisit selon la sévérité de la déformation : bas de la plage pour les travaux légers, haut de la plage pour les opérations à forte expansion de surface comme le filage arrière sévère. Pour KIMSOL, la plage de travail type est de 3 à 15 g/m². Plus de couche ne réduit pas le frottement ; cela crée du farinage et des dépôts dans l'outil. La valeur finale doit être validée pièce par pièce par essai et mesure.
Revoyez d'abord toute la chaîne de lubrification : efficacité du dégraissage, rinçage, poids de couche de phosphate et concentration du bain de savon. Des résidus d'huile en surface laissent des îlots où le phosphate ne s'est pas accroché, et ce sont les premiers points de défaillance dans les postes sévères. Une hausse progressive de l'effort de presse montre généralement que le film s'est affaibli avant que l'outil ne s'use.
Une couche de phosphate de zinc est une couche cristalline poreuse qui se développe à la surface de l'acier par réaction dans un bain acide. Ce guide explique comment elle se forme, ce que signifie réellement le poids de couche et pourquoi elle est indispensable en formage à froid.
Lire →Le savon réactif réagit avec la couche de phosphate pour former un savon de zinc ; le savon neutre laisse un film physique. Lequel convient à quelle ligne se décide selon la vitesse de tréfilage, le taux de réduction, le diamètre du fil et ce que le fil doit subir après tréfilage.
Lire →Le poids de couche est le critère qui ramène la qualité de la phosphatation à un seul chiffre. Les étapes de la mesure gravimétrique, la discipline d'échantillonnage, les causes probables des écarts et le suivi de la tendance.
Lire →