Contribution à l'étude et au développement de nouvelles poudres de fonte

L'obtention de graphite libre dans des pièces fabriquées par métallurgie des poudres (M/P) est un défi auquel plusieurs chercheurs se sont attardés. En effet, la présence de graphite après frittage améliore l'usinabilité des pièces, permettant donc de réduire les coûts de production, et peut aussi engendrer une amélioration des propriétés tribologiques. L'approche utilisée dans cette thèse pour tenter d'obtenir du graphite libre après frittage est par l'utilisation de nouvelles poudres de fontes atomisées à l'eau. L'atomisation à l'eau étant un procédé de production de poudres relativement peu coûteux qui permet de grandes capacités de production, le transfert des découvertes de ce doctorat vers des applications industrielles sera donc économiquement plus favorable. En plus de l'objectif d'obtenir du graphite libre après frittage, un autre aspect important des travaux est le contrôle de la morphologie du graphite libre après frittage. En effet, il est connu dans la littérature des fontes coulées/moulées que la morphologie du graphite influencera les propriétés des fontes, ce qui est aussi vrai pour les pièces de M/P. Les fontes ductiles, pour lesquelles le graphite est sous forme de nodules sphéroïdaux isolés les uns des autres, possèdent des propriétés mécaniques supérieures aux fontes grises pour lesquelles le graphite est sous forme lamellaire et continu dans la matrice. Les résultats présentés dans cette thèse montrent qu'il est possible, dans des mélanges contenant des poudres de fontes, d'avoir un contrôle sur la morphologie du graphite et donc sur les propriétés des pièces. Le contrôle de la morphologie du graphite a principalement été réalisé par le type de frittage et le phénomène de diffusion « uphill » du carbone causé par des gradients en silicium. En effet, pour les frittages en phase solide, tous les nodules de graphite sont présents à l'intérieur des grains de poudre après frittage. Pour les frittages en phase liquide, l'intensité de la diffusion « uphill » permet de conserver plus ou moins de graphite nodulaire à l'intérieur des régions riches en silicium, alors que le reste du graphite précipite sous forme lamellaire/vermiculaire dans les régions interparticulaires. L'étude des poudres de fontes et la recherche des mécanismes régissant la morphologie du graphite dans les fontes coulées/moulées nous ont amenés à produire des poudres de fontes traitées au magnésium avant l'atomisation. Plusieurs résultats fondamentaux ont été obtenus de la caractérisation des poudres traitées au magnésium et de leur comparaison avec des poudres de chimies similaires non traitées au magnésium. D'abord, il a été possible d'observer des bifilms d'oxyde de silicium dans la structure du graphite primaire d'une poudre de fonte grise hypereutectique. Il s'agit des premières images montrant la structure double de ces défauts, venant ainsi appuyer la théorie élaborée par le professeur John Campbell. Ensuite, il a été montré que le traitement au magnésium forme une atmosphère protectrice gazeuse autogénérée qui empêche l'oxydation de la surface du bain liquide et donc, la formation et l'entrainement des bifilms. Le rôle du magnésium sur la morphologie du graphite est de diminuer le soufre en solution en formant des précipités de sulfure de magnésium et ainsi d'augmenter l'énergie d'interface graphite-liquide. En réponse à cette grande énergie d'interface graphite-liquide, le graphite cherche à minimiser son ratio surface/volume, ce qui favorise la formation de graphite sphéroïdal. De plus, deux types de germination ont été observés dans la poudre de fonte hypereutectique traitée au magnésium. Le premier type est une germination hétérogène sur un nombre limité de particules faites de magnésium, d'aluminium, de silicium et d'oxygène. Le deuxième type est une germination homogène des nodules dans certaines régions du liquide plus riches en silicium. L'observation du centre réel tridimensionnel, en microscopie électronique en transmission en haute résolution, d'un des nodules ayant subi une germination homogène a permis de confirmer que le mode de croissance du graphite sphéroïdal se produit selon le modèle de la croissance en feuille de chou. Finalement, il a été observé que toutes les poudres ayant été traitées au magnésium et atomisées à l'eau sont plus sphériques que des poudres d'alliages similaires non traités au magnésium. Le traitement au magnésium permet de diminuer le soufre en solution, ce qui augmente la tension de surface du liquide et donc, diminue le temps de sphéroïdisation. De plus, le magnésium en solution dans le liquide crée une atmosphère riche en magnésium autour des particules en cours d'atomisation. Cette couche gazeuse diminue le transfert thermique des particules avec l'environnement, ce qui augmente le temps de solidification et favorise la sphéroïdisation des particules. L'obtention de poudres plus rondes, atomisées à l'eau, est un avantage significatif quant à la réduction des coûts pour la production de poudres destinées au marché de la fabrication additive.

Abstract

Obtaining free graphite in parts manufactured by powder metallurgy (P/M) is a challenge that many researchers have considered. Indeed, the presence of graphite after sintering improves the machinability of sintered parts, thus reducing the production costs, and can also generate improved the tribological properties of the parts. The approach used in this thesis to obtain free graphite is to use new water-atomized cast iron powders. Water atomization is a method for producing relatively inexpensive powders which permits high production capacities. Thus, the transfer of the discoveries made in this Ph.D. toward industrial applications will be more cost effective. In addition to the objective of obtaining free graphite after sintering, another important aspect of this work is to control the morphology of graphite after sintering. Indeed, it is known in the cast iron literature that the graphite morphology influences the properties of the part, which is also true for P/M parts. Ductile cast irons contain spheroidal graphite nodules isolated from each other, and have superior mechanical properties compared to grey cast irons for which the graphite is lamellar. The results presented in this thesis show that it is possible, in mixtures made with cast iron powders, to control the morphology of graphite after sintering and therefore the properties of the parts. Controlling the morphology of graphite has primarily been achieved by the type of sintering used and a phenomenon called uphill diffusion of carbon caused by silicon gradients. For parts sintered in the solid state, all the graphite nodules are present inside the grains after sintering. For parts sintered in the liquid phase, the intensity of the uphill diffusion controls the amount of nodular graphite that will stay in the Si-rich areas, while the rest of the graphite precipitates are lamellar/vermicular and located in the interparticle areas. The study of cast iron powders and that of the mechanisms governing the morphology of graphite in molded cast iron led us to produce cast iron powders treated with magnesium before atomization. The characterization of the Mg-treated powders and that of non Mg-treated powders with similar chemistries, led to several fundamental observations. First, it was possible to observe silicon oxide bifilms in the primary graphite structure of a hypereutectic gray cast iron powder. These observations are the first to show the double-sided structure of these defects, which supports the theory developed by Professor John Campbell. It was then shown that a magnesium treatment of the melt forms a self-generated protective gas atmosphere that prevents oxidation of the surface of the melt, which hinders the formation and entrainment of oxide bifilms. The role of magnesium on the graphite morphology is to lower the dissolved sulfur content by forming MgS precipitates, which increases the graphite-liquid interface energy. In response to this high graphite-liquid interface energy, graphite seeks to minimize its surface/volume ratio, which favors the formation of spheroidal graphite. In addition, two types of nucleation were observed in the hypereutectic cast iron powder treated with magnesium. The first type is a heterogeneous nucleation that occurred on a limited number of particles made of magnesium, aluminum, silicon and oxygen. The second type is a homogeneous nucleation of nodules located in groups in areas of the melt that were rich in silicon during the atomization. The observation of the actual three- dimensional center of a graphite nodule, by high resolution transmission electron microscopy, that underwent a homogeneous nucleation event confirmed that the growth mode of spheroidal graphite occurs according the cabbage leaf model. Finally, it was observed that all the water-atomized powders treated with magnesium are more spherical than powders with similar chemistries by that were not treated with magnesium. Magnesium reduces the dissolved sulfur content in the melt, which increases the surface tension and therefore, decreases the spheroidization time. In addition, the magnesium in solution in the melt creates a magnesium-rich atmosphere that surrounds the particles during the atomization. This gaseous layer reduces the thermal transfer of the particles with the environment, thereby increasing the solidification time and promoting the spheroidization of the particles. Obtaining rounder water-atomized powders is a significant advantage for the production of cost-effective powders for the additive manufacturing market.