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.