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).