Amélioration de la compressibilité d'une nouvelle poudre d'acier à outils pour l'amélioration de la résistance à l'usure à haute température de pièces automobiles

Ce projet a pour objectif principal d'améliorer la compressibilité de la poudre TS4 pour 1) en insérer de plus grandes quantités dans les mélanges ou pour 2) obtenir des pièces plus denses. L'hypothèse poursuivie est qu'améliorer la compressibilité de la poudre TS4 permettra d'obtenir des pièces avec de meilleures propriétés mécaniques (notamment la dureté à chaud et la résistance à l'usure). La poudre TS4 est un acier à outils qui a été développé par Philippe Beaulieu [1]. Une pièce fabriquée à partir de la poudre TS4 a un coût de production (matières premières et procédé de mise en œuvre) relativement faible par rapport aux matériaux actuellement utilisés. De plus, Beaulieu a montré que les propriétés mécaniques du mélange conçu avec la poudre TS4 (le mélange LMO) sont meilleures ou similaires à celles d'un mélange industriel normalement utilisé pour l'application visée (siège de soupape). La nouvelle poudre d'acier à outils TS4A7 (935 ± 51HV0.025) est le constituant du mélange industriel LMO qui limite le plus la densité des pièces produites avec ce mélange. Plusieurs techniques ont été testées dans ce travail pour tenter d'améliorer la compressibilité de la poudre TS4A7. Un broyage à faible énergie avec un broyeur à boulets effectué sur la poudre TS4A7 n'a pas eu un effet significatif sur la densité à cru du mélange. La densité à cru du mélange est de 6.79±0.01g/cm³ tandis que celle du mélange contenant la poudre broyée est de 6.82±0.03g/cm³. Un traitement thermique de type recuit a été développé et optimisé (HT45opt) pour réduire la dureté de la poudre TS4A7 et en améliorer la compressibilité. La planification et l'analyse d'expériences a été utilisée pour déterminer le groupe de paramètres de recuit qui optimise la dureté de la poudre et la friabilité du gâteau après recuit. La durée du recuit et l'atmosphère de traitement thermique ont également été prises en compte. Le profil thermique étudié comporte 1) un premier plateau composé d'une température appelée T1 et d'une durée appelée t1, 2) un taux de refroidissement contrôlé appelé ∆ et 3) un second plateau composé d'une température appelée T2 et d'une durée appelée t2. Les valeurs des paramètres du traitement thermique optimisé HT45opt sont les suivantes: T1=1080°C, t1=1h, ∆=300°C/h, T2=720°C, t2=2h, atmosphère=argon. La microdureté de la poudre résultant de ce recuit est de 438HV0.025 avec un écart type de 22. Des liens métallurgiques créés entre les particules lors du recuit font en sorte que la poudre libre se comporte comme un solide suite au recuit. Ce solide est appelé gâteau. Le gâteau a été broyé au broyeur à disques pour le transformer en poudre. Les observations ont montré que ce type de broyage ne permet pas de détruire tous les liens métallurgiques créés lors du recuit. Ainsi, suite au broyage, de petites particules (10µm) sont encore « accrochées » à des particules plus grossières (50µm). De plus, le broyage du gâteau augmente la dureté de la poudre. Après broyage à disques, la microdureté de la poudre est de 489HV0.025 avec un écart type de 18. L'effet du recuit sur la compressibilité de mélanges composés de poudre Atomet 1001 et de poudre TS4A7 à l'état recuit ou atomisé a été mesuré. Les résultats ont montré que la densité à cru diminue linéairement lorsque la fraction massique de la poudre TS4A7 recuite augmente. La densité à cru du mélange contenant 20%m de poudre TS4A7 est passée de 6.79 à 7.00g/cm³ lorsque de la poudre recuite a été utilisée. La courbe de tendance calculée avec les résultats a permis de conclure qu'il est possible d'insérer jusqu'à 33%m de poudre TS4A7 recuite pour obtenir une densité à cru similaire à celle obtenue avec un mélange contenant 20%m de poudre TS4A7 à l'état atomisé. Il s'agit d'une augmentation de la teneur en poudre TS4A7 de 65% (20 + 20 * 65% = 33). L'effet du recuit sur la compressibilité de mélanges LMO a également été mesuré. La densité à cru des mélanges contenant 20%m de poudre TS4A7 est passée de 6.70 à 6.98g/cm³ grâce à l'utilisation d'un recuit. La densité à cru du mélange contenant 40%m de poudre TS4A7 recuite (6.67g/cm³) est similaire à celle du mélange qui contient 20%m de poudre TS4A7 atomisée (6.70g/cm³). La résistance à cru du mélange LMO augmente significativement lorsqu'il contient la poudre recuite. Ainsi, la résistance à cru passe de 13.6 MPa pour le mélange contenant la poudre atomisée à 18.9, 23.3 et 18.2 MPa pour les mélanges contenant 20%m, 40%m et 75%m de poudre TS4A7 recuite respectivement. Cette amélioration de la résistance à cru est attribuable à la morphologie des poudres TS4A7 recuites. Le broyage du gâteau de recuit au broyeur à disques ne détruit pas tous les cous. Les petites particules satellites qui restent accrochées aux particules plus grossières peuvent servir de points d'ancrages améliorant ainsi la résistance à cru. L'amélioration de la résistance à cru à l'aide de ce mécanisme est cependant annulée par l'augmentation de la fraction volumique des porosités dans le cas du mélange LMO75HT. Le temps d'écoulement du mélange LMO n'est pas affecté par la poudre recuite. En effet, les mélanges contenant 20%m de poudre atomisée et 20%m de poudre recuite ont la même durée d'écoulement (31sec.). La durée d'écoulement, cependant, augmente lorsque la fraction massique de poudre recuite augmente. En effet, le temps d'écoulement passe de 31sec à 33sec et à 37sec pour les mélanges contenant 20%m, 40%m et 75%m de poudre recuite respectivement. Ainsi, bien que la morphologie de la poudre recuite et broyée au broyeur à disques soit plus irrégulière que celle de la poudre atomisée, une fraction massique de 20%m dans le mélange LMO n'est pas suffisante pour affecter l'écoulement du mélange. Cependant, plus la fraction massique de poudre recuite augmente, plus temps d'écoulement augmente. Suite au frittage (1120°C, 20min, 8%H2/92%N2), le mélange LMO contenant 20%m de poudre TS4A7 recuite est plus dense que celui contenant 20%m de poudre TS4A7 atomisée (6.98 VS 6.83g/cm³). Le mélange LMO contenant 40%m de poudre TS4A7 recuite, cependant, a une densité plus faible que celle du mélange 20%m de poudre TS4A7 à l'état atomisé (6.72 VS 6.83g/cm³). Le mélange LMO contenant 75%m de poudre TS4A7 recuite a une densité de 6.20g/cm³. Malgré ces différences de densité, la dureté est très semblable pour tous les échantillons. En effet, la macrodureté apparente de l'échantillon contenant 20%m de poudre TS4A7 à l'état atomisé est de 65.3HRA. La macrodureté apparente des échantillons contenant la poudre recuite est de 65.6, 66.5 et 66.1HRA pour les échantillons contenant 20%m, 40%m et 75%m de poudre TS4A7 recuite respectivement. Les particules TS4A7 frittées et atomisées ont une microdureté moyenne de 1014HV0.025 tandis que les particules TS4A7 recuites et frittées ont une microdureté moyenne de 923HV0.025. Somme toute, la compressibilité de la poudre TS4 a été améliorée, mais cette amélioration n'a pas eu de répercussion majeure sur la macrodureté apparente des mélanges frittés. L'effet du pourcentage de carbone de la poudre TS4 sur la compressibilité des mélanges LMO a été mesuré. Les poudres utilisées ainsi que leur pourcentage de carbone sont les suivants : TS4A7 – 3.66%C, TS4C2.70 – 2.70%C, TS4C1.51 – 1.51%C, TS4C0.78 – 0.78%C. Les mélanges conçus pour l'étude du pourcentage de carbone contiennent tous 40%m de poudres TS4 à bas carbone. De plus, toutes ces poudres ont été recuites. La densité à cru du mélange LMO contenant 40%m de poudre TS4A7 recuite est de 6.67g/cm³ alors que la densité à cru des mélanges LMO contenant 40%m de poudre TS4C2.70, TS4C1.51 et TS4C0.78 est de 6.90g/cm³, 6.93g/cm³ et 6.87g/cm³ respectivement. Ces résultats montrent que la densité à cru augmente lorsque le pourcentage de carbone diminue, sauf pour le mélange contenant la poudre TS4C0.78 puisque cette poudre contient beaucoup de porosités internes qui font en sorte que sa densité apparente est faible par rapport à celle des autres poudres à bas carbone (2.81 VS 3.44 et 4.02g/cm³). La densité du mélange LMO40C2.70 reste la même suite au frittage tandis que la densité des mélanges LMO40C1.51 (de 6.93 à 6.86 g/cm³) et LMO40C0.78 (de 6.87 à 6.76g/cm³) diminue suite au frittage. La couche d'oxyde autour des poudres TS4C1.51 et TS4C0.78 empêche un frittage adéquat ce qui explique, au moins en partie, la réduction de la densité. La macrodureté apparente du mélange contenant la poudre TS4C2.70 est la plus élevée (67.4HRA) alors que celle des deux autres sont les plus basses (64.5 et 63.5 HRA). La microdureté des particules TS4C2.70 dans le mélange LMO est de 962HV0.025. Elle est de 895HV0.025 pour la poudre TS4C1.51 et de 832HV0.025 pour la poudre TS4C0.78

Abstract

The general objective of this project is to improve the compressibility of the TS4 powder to1) increase the amount of TS4A7 powder in the mixes or to 2) increase the density of the parts. Improving the compressibility of the TS4 powder should increase the most important mechanical properties of the parts for the aimed application (hot hardness and wear resistance). The TS4 powder is a tool steel that Philippe Beaulieu [1] developed for his Ph.D.. Parts made with this powder help to reduce production costs (raw materials and process) in comparison with competitors materials. Furthermore, Beaulieu showed that the mechanical properties of the parts made with the mix he conceived specifically for the TS4 powder (LMO mix) are better or similar to those of mixes currently used for the same application (valve seat inserts - VSI). The tool steel powder TS4A7 (935 ± 51HV0.025) is the constituent of the LMO mix that limits the density of parts. Many techniques were investigated to improve the compressibility of the TS4A7 powder. The TS4A7 was milled with a low energy ball mill prior to mixing and compacting the powder. This milling step did not have a significant effect on the green density of the mix. The green density obtained for the mix containing the as-atomized TS4A7 powder was 6.79±0.01g/cm³ while that of the mix containing the milled powder was 6.82±0.03g/cm³. An annealing heat treatment was developed and optimized (HT45opt) in order to reduce the hardness of the TS4A7 particles and thus increase their compressibility. Designs of experiments were carried out to determine the group of annealing parameters that optimizes the hardness and the friability of the cake after annealing. The duration of the heat treatment and the nature of the protective gas were also taken into account. The thermal profile consists of 1) a first dwell at temperature T1 and a dwelling time of t1, 2) a controlled cooling rate named ∆ and 3) a second dwell at temperature T2 and a dwelling time of t2. The values of the parameters of the optimized heat treatment are as follow: T1=1080°C, t1=1h, ∆=300°C/h, T2=720°C, t2=2h, atmosphere=argon. The microhardness of the annealed powder is 438HV0.025 with a standard deviation of 22. Metallurgical bonds are created between the particles during annealing. These bonds are strong enough to make the particles act like a solid. This solid is called a cake. The cake was milled with a disk mill to transform the cake back into a powder. Observations showed that this milling technique does not eliminate all the bonds created during annealing. Thus, small particles (10µm) are still bonded to the coarser particles (50µm) after milling the cake. Furthermore, milling the cake increases the hardness of the annealed powder. After milling the powder cake, the microhardness of the powder is 489HV0.025 with a standard deviation of 18. The effect of annealing on the compressibility of mixes containing Atomet 1001 and TS4A7 powders was investigated. The results showed that the green density decreases linearly when the amount of TS4A7 powder in the mixes increases. The green density of the mix containing 20%m of TS4A7 powder increased from 6.79 to 7.00g/cm³ using the annealed powder. It was determined that it is possible to insert 33%m of TS4A7 annealed powder in the mix and obtain a green density similar to that of the mix containing 20%m TS4A7 as-atomized powder. This is a 65% increase of the TS4A7 powder content in the mix (20+20*65%=33). The effect of annealing on the LMO mix was also investigated. The green density of mixes containing 20%m TS4A7 powder increased from 6.70 to 6.98g/cm³ using the annealed powder instead of the as-atomized powder. The green density of the mix containing 40%m TS4A7 annealed powder was not significantly smaller than that of the mix containing 20%m as-atomized powder (6.67g/cm³). The green resistance increases significantly when using the annealed powder. It increases from 13.6MPa to 18.8, 23.3, 18.2 MPa for the mixes containing 20%m, 40%m and 75%m TS4A7 annealed powder respectively. The flow of the LMO mix is not significantly affected by the annealed powder. The two mixes containing 20%m TS4A7 powder (as-atomized and annealed) show very similar flowing times (31sec). The flow, however, increases when the amount of TS4A7 powder in the mix increases. Effectively, the flow time increases from 31sec to 33sec and to 37sec for the mixes containing 20%m, 40%m and 75%m annealed powder. After sintering (1120°C, 20min, 8%H2/92%N2), the LMO mix containing 20%m TS4A7 annealed powder has a larger density than that of the mix containing 20%m TS4A7 as-atomized powder (6.98 VS 6.83g/cm³). The density of the mix containing 40%m TS4A7 annealed powder, however, is smaller (6.72g/cm³). Finally, the density of the LMO mix containing 75%m of TS4A7 annealed powder is 6.20g/cm³. Despite these results, the apparent hardness of the sintered samples is very similar for all the mixes. Effectively, the apparent hardness of the sample containing 20%m TS4A7 as-atomized is 65.3HRA while the apparent hardness of the samples containing the annealed powder is 65.6, 66.5 and 66.1HRA for 20%m, 40%m and 75%m annealed powder respectively. The microhardness of the TS4A7 as-atomized and sintered particles in the sintered sample is 1014HV0.025 while that of the TS4A7 annealed and sintered particles is 923HV0.025. The effect of carbon content of the TS4 powder on the compressibility was also investigated. The powders used for this investigation and their carbon content are as follow: TS4A7 – 3.66%C, TS4C2.70 – 2.70%C, TS4C1.51 – 1.51%C, TS4C0.78 – 0.78%C. All the powders were annealed and all the LMO mixes produced with these powders contain 40%m of TS4 powder. The results show that the green density increases when the carbon content decreases except for the mix containing the TS4C0.78 because that powder has a large amount of internal porosities. These internal porosities decrease the apparent density of that powder compared to that of the other low carbon TS4 powders (2.81 VS 3.44 and 4.02g/cm³). The green density of the mix with the TS4A7 annealed powder is 6.67g/cm³ while the green density of the mixes with the TS4C2.70, TS4C1.51 and TS4C0.78 powders is 6.90, 6.93 and 6.87g/cm³ respectively. The density of the mix containing the TS4C2.70 powder does not change after sintering while the density of the two other mixes decreases after sintering (from 6.93 to 6.86 g/cm³ for LMO40C1.51 and from 6.87 to 6.76g/cm³ for LMO40C0.78). An oxide layer surrounding the TS4C1.51 and TS4C0.78 particles prevented an adequate sintering of the mixes containing these powders. The apparent hardness of the sintered sample containing the TS4C2.70 powder is the largest (67.4HRA) while that of the two others are the smallest. The microhardness of the TS4C2.70 particles in the LMO mix is 962HV0.025. To conclude, the compressibility of the TS4 powder was increased, but this increase did not have a significant effect on the apparent hardness of the sintered samples produced with the LMO mixes.