Développement de nouveaux alliages mères pour applications autotrempantes en métallurgie des poudres

En métallurgie des poudres (MP) de l'acier, l'autotrempabilité permet de générer des microstructures contenant de la martensite directement lors du refroidissement des pièces suite au frittage. Le phénomène d'autotrempabilité permet d'éliminer l'utilisation d'un traitement thermique d'austénitisation et de trempe (à l'eau ou à l'huile). Ce faisant, le procédé est simplifié, moins coûteux et le risque de distorsion des pièces lors de la trempe est éliminé. De plus, l'élimination des bains d'huile de trempe offre des avantages du point de vue de l'environnement et de la sécurité. La réponse autotrempante est principalement contrôlée par le taux de refroidissement suite au frittage et par la composition chimique des pièces fabriquées. De nos jours, des systèmes de refroidissement par convection forcée permettent d'obtenir des taux de refroidissement élevés (e.g. taux de refroidissement > 2 ° C/s). Pour ce qui est de la composition chimique, les éléments d'alliage généralement utilisés en MP sont le molybdène, le nickel et le cuivre. Malgré leur apport important à la trempabilité des aciers, le chrome et le manganèse ne sont généralement pas utilisés en MP, principalement en raison de leur propension à s'oxyder facilement. L'objectif principal de ce projet est de permettre l'utilisation du manganèse et du chrome à titre d'éléments d'alliage afin d'améliorer l'autotrempabilité des pièces de MP. Pour ce faire, ces éléments d'alliage seront ajoutés sous forme d'alliage mère à des mélanges de poudres d'acier compressibles. Les alliages mères développés ont la particularité d'avoir des teneurs en carbone relativement élevées (2 à 4 %C) permettant la protection des éléments d'alliage qu'ils contiennent contre l'oxydation durant toutes les étapes du procédé: de la production des poudres par atomisation à l'eau, en passant par le broyage et jusqu'au frittage des pièces contenant ces alliages mères. Cinq alliages mères différents ont été conçus et produits par atomisation à l'eau. La caractérisation microscopique de ces alliages mère a permis de mettre en évidence le fait que les éléments d'alliage se retrouvent principalement en solution solide dans les différentes phases constituant la microstructure. La présence d'une couche oxydée à la surface des particules atomisées, d'une épaisseur de 200 à 300 nanomètres, est détectée et caractérisée par microscopie électronique à balayage et par spectrométrie des électrons Auger. Les poudres d'alliage mère atomisées ont une granulométrie trop grossière pour être utilisées directement dans des mélanges autotrempants. Une étape de broyage est donc nécessaire afin d'obtenir une granulométrie adéquate. Le broyage permet aussi de fragmenter la couche d'oxyde afin de générer des particules d'alliage mère exemptes d'oxyde surfacique. L'étude de la cinétique de broyage des alliages mères a mené à la détermination de temps critiques de broyage permettant d'obtenir des granulométries fines (d90 ~ 30 µm), avant l'apparition des phénomènes d'agglomération et d'agrégation. La cinétique de broyage des alliages mères a aussi pu être mise en relation avec la quantité de phase austénitique dans la microstructure. Enfin, l'utilisation d'un agent de contrôle (acide stérique) lors du broyage a permis de générer des granulométries de poudres broyées d'une remarquable finesse (d90 ~ 16 µm).

Abstract

Sinter-hardening in steel powder metallurgy (PM) allows to obtain microstructures containing martensite during the cooling at the end of the sintering cycle. Sinter-hardened PM parts do not need an additional hardening heat treatment and do not suffer from distortion problems during the quench, thus lowering the overall cost of the process. Furthermore, sinter-hardening reduces health and safety hazards associated with high temperature oil baths. The sinter-hardening response is mostly controlled by the cooling rate and the chemical composition of the materials. In recent years, accelerated cooling of the PM parts was made possible by the commercialisation of advanced convective cooling systems (e.g. cooling rates > 2 °C/s). On the other hand, considerable efforts were made to design cost-effective PM materials containing significant amounts of manganese and chromium and having a good response to sinter-hardening. The main objective of this project is to produce sinter-hardened PM parts containing significant amounts of manganese and chromium. These alloying elements are pre-alloyed in specially designed master alloys containing relatively high carbon contents (2 à 4 %C) which ensure the protection from oxidation of the oxygen-sensitive alloying elements during all processing steps: starting from water atomisation of the alloys to the sintering of the PM parts containing these master alloys. Five different master alloys were designed and produced by water atomisation. The microscopic characterization of these alloys showed that the alloying elements are in solid solution in the various microstructural constituents. Oxides are detected at the surface of the atomised particles. The thickness of the surface oxides is approximately 200 to 300 nanometres and was determined by scanning electron microscopy and Auger electron spectroscopy. The particle size distribution of the atomized master alloys is too coarse to be directly used in the sinter-hardening powder mixes. An additional grinding step is necessary to obtain an appropriate particle size distribution and to break the surface oxides. The study of the grinding kinetics of the atomised master alloys led to the determination of critical grinding times for which the particle size is minimal (d90 ~ 30 µm). For longer grinding times, agglomeration and aggregation phenomena are observed. It was possible to relate the grinding kinetic of the master alloy to the amount of austenite in the microstructure. In addition, the use of a process control agent (stearic acid) allowed the production of remarkably fine master alloy particles (d90 ~ 16 µm). The compaction and sintering of powder mixes containing base steel powders and various amounts of fine master alloys allowed to produce sinter-hardened PM parts. The apparent hardness of the new materials can be favourably compared with common pre-alloyed sinter-hardening reference materials. The compressibility of the powder mixes developed is superior to that of pre-alloyed powders and the cost of the new materials is significantly lower than that of pre-alloyed powders containing nickel and molybdenum.