Mise en œuvre et caractérisation de pièces autotrempantes élaborées avec de nouveaux alliages mères

L'autotrempabilité des aciers en métallurgie des poudres (MP) permet d'obtenir des pièces ayant une microstructure de trempe (martensite et/ou bainite), et ce, directement lors du refroidissement à la sortie du four de frittage (frittage industriel : 10 ~ 45 °C/min [550 à 350 °C]). Cela permet entre autres d'éliminer les traitements thermiques d'austénisation et de trempe (à l'eau : ≈ 2700 °C/min ou à l'huile : ≈ 1100 °C/min [550 à 350 °C] [17]) généralement requis après le frittage afin d'obtenir une microstructure martensitique. Ainsi, le procédé de fabrication est simplifié, moins coûteux et la distorsion des pièces due au refroidissement rapide lors de la trempe est évitée. De plus, l'utilisation des bains d'huile est éliminée ce qui rend le procédé plus sécuritaire et écologique. Les principaux paramètres commandant l'autotrempabilité sont : le taux de refroidissement et la composition chimique de l'acier. De nos jours, les systèmes de refroidissement à convection forcée combinés aux fours industriels permettent d'obtenir des taux de refroidissement élevés à la sortie des fours (60 ~ 300 °C/min [550 à 350 °C]) [18, 19]. De plus, le taux de refroidissement critique induisant la formation de la structure de trempe est largement influencé par la composition chimique de l'acier. Ainsi, plus l'acier est allié (jusqu'à une certaine limite), plus ce taux de refroidissement critique est moindre. Le molybdène, le nickel et le cuivre sont les éléments usuellement utilisés en MP. Cependant, le manganèse et le chrome sont moins coûteux et ont un impact plus marqué sur l'autotrempabilité, malgré cela, ils sont rarement utilisés à cause de leur susceptibilité à l'oxydation et la dégradation de la compressibilité causée par le manganèse. L'objectif principal de ce projet est de développer des mélanges autotrempants en ajoutant des alliages mères (MA : MA1, MA2 et MA4) fortement alliés au manganèse (5 ~ 15 %m) et au chrome (5 ~ 15 %m) qui contiennent beaucoup de carbone (≈ 4 %m) développés par Ian Baïlon-Poujol lors de sa maîtrise [20]. La haute teneur en carbone de ces alliages mères assure la protection des éléments d'alliage susceptibles à l'oxydation durant toutes les étapes du procédé : dans le bain liquide lors de la fusion et l'atomisation à l'eau, pendant le broyage ainsi que lors du frittage des pièces contenant ces alliages mères. Précédemment, Ian Baïlon-Poujol avait étudié le broyage de certains alliages mères atomisés à l'eau et avait amorcé le développement de mélanges autotrempants ainsi que des études de diffusion des éléments d'alliage. Pour ce projet, le développement des mélanges autotrempants a impliqué l'optimisation de toutes les étapes de la mise en oeuvre afin d'obtenir les meilleures propriétés possibles des mélanges avant frittage (écoulement, résistance à cru...) et après frittage (dureté, microstructure…), et ce, pour des alliages mères atomisés à l'eau par Ian Baïlon-Poujol ainsi qu'un alliage mère de chimie similaire qui fut atomisé au gaz. Puisque des particules très fines de MA sont nécessaires (≤ 20 μm) pour l'obtention de la microstructure désirée, les alliages mères ont été broyés en laboratoire en utilisant différents types de broyeurs à billes hautement énergétiques (SPEX® et Simoloyer® (ZOZ)). Ces expériences ont permis de comprendre le comportement en broyage et de déterminer la broyabilité des différentes MA2 (atomisée à l'eau et au gaz). De plus, on s'est particulièrement intéressé à la morphologie et la propreté des poudres MA broyées. Il a été constaté que la quantité d'acide stéarique, surfactant habituellement ajouté à 1 à 2 %m afin d'éviter l'agglomération des particules pendant le broyage, a un effet majeur sur la morphologie des particules de MA broyées au Simoloyer® CM 01 de ZOZ. Ainsi, la quantité d'acide stéarique nécessaire pour éviter l'agglomération tout en assurant une morphologie rrégulière et/ou angulaire idéale pour les propriétés des mélanges a été déterminée (0.1 ~ 0.17 %m). D'autre part, différentes pistes ont été investiguées afin d'éliminer les oxydes surfaciques (1 ~ 4 μm) enveloppants les particules de MA2 atomisés à l'eau (1.05 %m O) : broyage et tamisage fin successifs, recuit de réduction et dissolution par solution HCl/HMT. La dernière méthode nous a permis d'obtenir une poudre très propre (0.16 %m O) comparable à celle atomisée au gaz (0.04 %m O). Ensuite, les poudres MA finement broyées (d10 ≈ 4 μm, d50≈ 10 μm et d90≈ 25 μm) ont été ajoutées à différents types de mélanges ayant des poudres de base non alliées, faiblement ou fortement alliées (Atomet 29, Atomet 4001 (0.5 %m Mo), aciers inoxydables, etc.). De plus, différents additifs ont été ajoutés aux mélanges afin d'améliorer les propriétés des mélanges (0.02 ~ 0.1 %m de Cab-O-Sil® pour améliorer l'écoulement) et des pièces autotrempantes après frittage (0.5 ~ 1 %m Fe3P et/ou 2 ~ 4 %m Cu). Les alliages mères MA2 (≈ 15 %m Mn, ≈ 15 %m Cr et ≈ 4 %m C) ont été façonnés pour avoir le meilleur compromis des propriétés des mélanges (écoulement, résistance à cru, compressibilité, etc.). Ainsi, l'effet de la quantité et de la morphologie des alliages mères sur l'écoulement des mélanges a été étudié. Les résultats montrent que la quantité de MA doit être inférieure à 15 %m et que, les particules irrégulières assurent le meilleur écoulement possible (≈ 31 s/50g pour 10 %m de MA2 ajoutée). La résistance à cru des barres a aussi été étudiée et les résultats indiquent que l'ajout de 10 %m de MA2 de forme irrégulière maximise la résistance à cru (18.4 MPa). De plus, la compressibilité en fonction de la quantité d'alliage mère MA2 de forme irrégulière a été caractérisée et un modèle a été obtenu afin de prédire la densité des mélanges hybrides à base d'Atomet 4001. Après un frittage à 1160 °C dans un four industriel sous atmosphère réductrice (10 % H2 - 90 % N2) et en présence du graphite (ajouté dans les mélanges) les mélanges contenant 10 %m de MA2 propre (0.33 %m O, après broyage) résultent en des pièces d'une propreté acceptable. Les pièces autotrempantes contiennent 0.05 %m O dans le cas du frittage conventionnel et 0.1 %m O dans le cas de l'infiltration au cuivre. Les résultats montrent aussi que la réduction des oxydes lors du frittage est moins efficace lorsque la pièce est infiltrée au cuivre. Après plusieurs itérations, les mélanges intéressants ont été optimisés afin d'obtenir des mélanges avec de meilleures propriétés et le plus de martensite directement à la sortie du four industriel, après un frittage à 1160 °C pendant 15 minutes (taux de ref. ≈ 20 à 25 °C/min [550 à 350 °C]). Les meilleurs mélanges présentent une dureté de 24.9 HRC (≈ 46 %v de martensite) pour un ajout de 10 %m de MA2 à une poudre non alliée (Atomet 29 + 0.5 %m Fe3P +…+ 2 %m Cu), et de 37.5 HRC (≈ 84 %v de martensite) pour un ajout de 10 %m de MA2 à une poudre faiblement alliée (Atomet 4001 (0.5 %m Mo préallié) + 1 %m Fe3P +…+ 2 %m Cu). Pour les mêmes mélanges mais infiltrés au cuivre, les barres présentent des duretés plus élevées (respectivement 38.9 HRC (≈ 60 %v de martensite) et 49.5 HRC (≈ 86 %v de martensite)). À titre de comparaison les mélanges auxquels la MA2 a été ajoutée avaient une dureté de respectivement 48 HRA (n/a HRC) et 14.3 HRC dans le cas non infiltré, et de 14 HRC et 30.6 HRC dans le cas de l'infiltration au Cu. Il a aussi été montré que l'ajout de seulement 6 %m de MA2, de 15 %m de MA1 (≈ 5 %m Mn, ≈ 5 %m Cr et ≈ 4 %m C) ou de 10 %m de MA4 (≈ 9 %m Mn, ≈ 9 %m Cr et ≈ 4 %m C) à un autre mélange hybride résulte en des duretés et des microstructures très similaires à celles du mélange qui contient 10 %m de MA2. La dureté élevée des barres infiltrées au cuivre comparativement à celles sans infiltration est associée à l'amélioration de la diffusion des éléments d'alliage Mn et Cr, à l'amélioration de la conductivité thermique et à l'augmentation de la densité assurées par l'infiltration au Cu. La diffusion du manganèse (Mn) et du chrome (Cr) a été étudiée dans le cas de l'infiltration et du frittage conventionnel. Les résultats indiquent que les distances de diffusion des deux éléments Mn et Cr ainsi que celle du cuivre sont similaires et sont d'environ 27 μm dans le cas d'un frittage à 1160 °C pendant 15 minutes et sont estimées à 80 μm dans le cas de l'infiltration au cuivre pour un même profil thermique. Finalement, l'autotrempabilité des mélanges autotrempants a été évaluée et comparée à celle du mélange autotrempant FLC-4805 ((1.25 %m Mo, 1.4 %m Ni et 0.4 %m Mn) préalliés plus 1 %m Cu et ≈ 0.5 %m C) grâce aux diagrammes d'autotrempabilité qui donnent la microstructure (%v de martensite) et la dureté apparente en fonction du taux de refroidissement local au coeur des pièces. Les résultats montrent que l'autotrempabilité du mélange de 10 %m de MA2 avec une poudre de base non alliée est similaire à celle du FLC-4805 pour des taux de refroidissement de 4 ~ 120 °C/min [550 à 350 °C]. Tandis que les mélanges hybrides (Atomet 4001 (0.5 %m Mo préallié) + 1 %m Fe3P +…+ 2 %m Cu) contenant 6 ou 10 %m de MA2 présentent une meilleure autotrempabilité que celle du FLC-4805 pour des taux de refroidissement de 4 ~ 120 °C/min [550 à 350 °C]. Après un refroidissement relativement lent ≈ 4 °C/min, le mélange hybride contenant 6 %m de MA2 a une dureté de 29.0 HRC (41.4 HRC après infiltration au Cu) et le mélange avec 10 %m de MA2 a une dureté de 35.2 HRC (44.9 HRC après infiltration au Cu) comparativement à 7.1 HRC du FLC-4805. De plus, la martensite obtenue avec les mélanges autotrempants contenant des MA est largement plus dure que celle obtenue avec le mélange FLC-4805, et ce, pour une teneur en carbone similaire de 0.5 ~ 0.6 %m (63 ~ 67 HRC (784 ~ 907 HV0.05) comparativement à 52.7 ± 0.4 HRC (556 HV0.1)). Pour conclure, en se basant sur le prix des éléments d'alliage, les mélanges contenant une poudre de base non alliée et 10 %m de MA2 coutent environ 0.23 $\$$US/kg (août 2014). Les mélanges hybrides contenant 10 %m de MA2 coûtent ≈ 0.50 $\$$US/kg (août 2014). Les mélanges hybrides contenant 6 %m de MA2 coûtent ≈ 0.47 $\$$US/kg (août 2014). Le mélange FLC-4805 coûte ≈ 1.02 $\$$US/kg (août 2014). De plus, le coût additionnel associé à l'infiltration au cuivre des pièces pendant le frittage est d'environ 0.78 $\$$US/kg (août 2014).