Développement de nouvelles poudres d'acier à outils pour des applications de résistance à l'usure à haute température

Bien que la technologie liée à la métallurgie des aciers à outils soit établie depuis plus d'un siècle, la production de poudres d'aciers à outils est relativement récente. La métallurgie des poudres (MP) a même permis l'atomisation de poudres d'aciers à outils qui sont difficiles à produire par le procédé traditionnel de coulé en lingots (ex. : aciers à outils à haute teneur en C et en Cr). En plus des avantages inhérents à la métallurgie des poudres (réduction des opérations d'usinage, pièces près des cotes, moins énergivore, etc.), la microstructure de pièces d'aciers à outils élaborées par MP est relativement fine et homogène. Les poudres d'aciers à outils, initialement mises en œuvre par pressage isostatique à chaud ou par frittage en phase liquide supersolidus, sont maintenant largement mises en œuvre par le procédé traditionnel de pressage et frittage (ex. sièges de soupapes). Les poudres d'aciers à coupe rapide sont utilisées pour la mise en œuvre de sièges de soupapes pour leur dureté à chaud élevée et leur bonne résistance à l'usure. Les aciers à coupe rapide (ex. M2) sont coûteux à cause de leur teneur élevée en éléments d'alliage (Mo, W, Cr, Co et V). La fluctuation importante du prix des matières premières au cours de la dernière décennie a occasionné une augmentation importante du coût de ces poudres d'acier à coupe rapide, ce qui a suscité un intérêt important de la part des fabricants de sièges de soupapes pour l'utilisation de matériaux moins coûteux afin de remplacer les aciers à coupe rapide. Ce projet a pour objectif principal de concevoir un acier à outils dont le coût de production (matières premières et procédé de mise en œuvre) est relativement faible comparativement à celui des aciers à coupe rapide. Le matériau de référence utilisé tout au long de ce projet contient de la poudre M2. Une nouvelle poudre d'acier à outils a donc été conçue dont le coût de mise en œuvre est inférieur à la poudre M2. La nouvelle poudre est moins coûteuse en matières premières que la poudre M2, car elle est principalement alliée avec des éléments d'alliage peu coûteux (ex. : Cr). De plus, la nouvelle poudre n'est pas recuite, comparativement à la M2 qui est typiquement recuite sous vide ou sous H2, ce qui contribue davantage à réduire son coût de mise en œuvre. La nouvelle poudre développée (poudre TS4) contient une teneur élevée en Cr, en V et en C (TS4 : 3.8 %mC, 12.5 %mCr, 1.5 %mMo, 2.5 %mW et 6 %mV). Ce projet présente les différentes étapes liées à la conception de la poudre TS4 et du procédé de mise en œuvre de cette poudre et de sièges de soupapes élaborés à partir de celle-ci. La composition unique de la poudre TS4 permet de l'atomiser à l'eau sans toutefois que les éléments d'alliage, comme le Cr ou le V, ne s'oxydent de façon catastrophique. Grâce à sa teneur élevée en carbone, la poudre contient très peu d'oxydes internes et l'oxydation se produit essentiellement dans une mince couche à la surface des particules de TS4. Toutefois, en présence d'une teneur élevée en carbone, si de l'oxygène est présent dans le bain liquide, les particules de poudres atomisées peuvent contenir une fraction élevée de porosité interne, ce qui peut nuire aux propriétés mécaniques des pièces, car les porosités fermées ne peuvent être éliminées lors du frittage. Ces pores fermés diminuent la section effective des pièces frittées et peuvent agir comme concentrateur de contraintes. Ainsi, les mécanismes de l'effet protecteur du carbone et de la formation de porosité ont été étudiés pour permettre un meilleur contrôle de la microstructure des poudres atomisées. Comme une poudre de composition similaire à l'acier à outil TS4 n'a jamais été étudiée auparavant, une caractérisation détaillée a été effectuée de sa microstructure. Les dimensions nanométriques des phases présentes dans la poudre TS4 telle qu'atomisée ont nécessité l'utilisation de techniques avancées de caractérisation incluant la microscopie à transmission et à balayage, la diffraction électronique, la diffraction rayons X, la spectrométrie rayons X par dispersion des énergies, la spectrométrie Auger et la spectrométrie des pertes d'énergie des électrons transmis à collection parallèle. La microstructure de la poudre TS4, à cause de sa haute teneur en C, en Cr et en V, est constituée de  50 %v d'austénite alliée et de  50 %v de carbures (M7C3 et M8C7), ce qui lui confère une microdureté après atomisation très élevée  1050 HV0.025. La couche d'oxyde de surface, bien que relativement mince, est nuisible au frittage et un procédé de broyage a été développé pour améliorer le frittage de la poudre TS4. La poudre telle qu'atomisée est tout d'abord décapée mécaniquement à l'aide d'un broyeur à tambour et est par la suite broyée à l'aide d'un broyeur à haute énergie (SPEX). De plus, des additifs qui promeuvent le frittage en phase liquide ont été étudiés pour accroître davantage la cinétique de frittage. L'étude de l'effet de ces additifs a montré que le cuivre permet d'obtenir un très bon frittage entre les particules TS4 et les poudres d'acier allié. D'autre part, le MoS2 et le Fe3P ont été étudiés comme additifs et les résultats sont intéressants; formation de sulfures riches en Cr avec le MoS2 (dissociation du MoS2 pendant le frittage) et augmentation de la taille des carbures dans les particules TS4 avec le Fe3P. Cependant, les résultats obtenus sur la qualité du frittage avec ces additifs n'ont pas été aussi concluants qu'avec le cuivre. L'effet des caractéristiques des poudres (dureté, distribution de taille et morphologie) sur la compressibilité a été étudié pour maximiser la fraction massique maximale de poudre TS4 qu'il est possible d'intégrer dans un mélange. La ductilité de la poudre TS4 est trop faible pour qu'elle puisse constituer une fraction élevée d'un mélange et une fraction de 20 %m TS4 a été déterminée comme optimale. En raison de l'étude des caractéristiques des poudres et de l'effet des additifs, un mélange optimisé a été conçu pour la production de sièges de soupapes. Après la conception de la poudre TS4 et d'un mélange optimisé, des échantillons ont été frittés pour évaluer les propriétés après frittage et pour étudier l'évolution microstructurale des particules TS4. La microstructure des particules de TS4, initialement nanométrique, devient principalement micrométrique. La microstructure des particules de TS4 contient, après frittage, environ 50 %v d'austénite et 50 %v de carbures et de carbonitrures (M7C3 et M8(C, N)7). L'évaluation des propriétés mécaniques (limite de rupture transversale, résistance à l'écrasement radial et dureté apparente) a montré que le nouveau mélange conçu à base de TS4 est comparable à un mélange qui contient de la M2 et qui est utilisé industriellement. De plus, l'évaluation de la résistance à l'usure, par le biais d'un banc d'essai spécifique simulant des conditions typiques des sièges de soupapes, et de la dureté à chaud ont été évaluées et montrent également que le nouveau mélange conçu est comparable au mélange de référence industriel. Pour terminer, dû au succès de ce projet, la nouvelle poudre et le procédé de mise en œuvre de la poudre et de mise en œuvre de sièges de soupapes ont été brevetés. De plus, la poudre a été produite industriellement et le nouveau mélange optimisé est offert commercialement aux clients de notre partenaire industriel Federal-Mogul. La conception de la nouvelle poudre TS4 et du procédé de mise en œuvre a permis d'obtenir un acier à outils moins coûteux et tout aussi performant que des aciers à coupe rapide tel le M2 pour des sièges de soupapes. Malgré la fluctuation du coût des matières premières depuis une décennie, la poudre TS4 (6.94 $\$$/kg en 2008; 3.78 $\$$/kg en 2012) demeure plus avantageuse que la poudre M2 (7.66 $\$$/kg en 2008; 5.57 $\$$/kg en 2012), ce qui rend ce projet aussi pertinent aujourd'hui qu'à son début.

Abstract

Although tool steels technology is well established for over a century, the production of tool steel by powder metallurgy (PM) is relatively new. High carbon, high chromium tool steels, which are difficult to process by the traditional tool steel process, can be atomized relatively easily by PM. In addition to the typical benefits associated with the PM process (reduction of machining operations, near-net parts, lean manufacturing, etc.), the microstructure of parts made by PM is relatively fine and homogeneous. The tool steel powders, initially sintered by hot isostatic pressing or by supersolidus liquid phase sintering, are now widely sintered using typical sintering conditions of low alloy steel powders (ex. : valve seat inserts). High speed steel powders (HSS) are used in valve seat inserts (VSI) for their high hot hardness and their good wear resistance. HSS powders (ex. : M2) are expensive because of their high concentration of alloying elements (Mo, W, Cr, Co and V). The important fluctuation of commodity prices during the last decade caused a significant increase of the cost of HSS powders and there is a high demand from VSI manufacturers to replace HSS powders by lower cost materials. The main objective of this project is to design a new tool steel powder, which is less expensive (raw materials and process) than HSS powders. The reference material which will be used throughout this project contains M2 HSS powder. Therefore, a new low cost tool steel powder has been designed to replace expensive HSS powders like the M2 powder. The new low cost tool steel powder (TS4 powder) contains a high concentration of Cr, V and C (TS4: 3.8 %wC, 12.5 %wCr, 1.5 %wMo, 2.5 %wW and 6 %wV). This project presents the different steps involved in the design of the new TS4 powder and the manufacturing process of VSI containing TS4 powder. Due to its unique composition, the TS4 powder can be water atomized without excessive oxidation of the alloying elements such as Cr or V. Because of its high carbon content, the TS4 powder contains few internal oxides; the oxygen is mainly located in a relatively thin surface oxide skin on the powder particles. However, the presence of dissolved oxygen in powders containing a high carbon content, can lead to porous powders, which adversely affect the mechanical properties of the sintered parts. Thus, the mechanisms responsible for the protective effect of carbon and of pore formation were studied to allow a better control of the microstructure of atomized powders. As the composition of the new TS4 powder is unique and has never been studied before, a detailed characterization of its microstructure was carried out. The nanoscaled dimensions of the phases of the as-atomized TS4 powder required the use of advanced characterization techniques, including transmission and scanning electron microscopy, electron diffraction, X-ray diffraction, X-ray energy dispersive spectroscopy, Auger electron spectroscopy and parallel electron energy-loss spectroscopy. The microstructure of the TS4 powder, because of its high concentration of C, Cr and V, consists of  50 %v alloyed austenite and of  50 %v alloyed carbides (M7C3 and M8C7), conferring a very high microhardess ( 1050 HV0.025) to the as atomized TS4 powder. The continuous oxide surface skin, although relatively thin, is detrimental to sintering and a grinding process was designed to improve the sinterability of the TS4 powder. Moreover, additives that promote liquid phase sintering were studied to further improve the kinetics of sintering. The study of the effect of these additives has shown that the bonding between TS4 particles and alloyed steel particles is good with copper addition. In addition, the results obtained with MoS2 and Fe3P additions showed interesting results; the formation of Cr rich sulphides with MoS2 addition (dissociation of the MoS2 during sintering) and an increase of the size of the carbides in TS4 particles with Fe3P addition. However, the results obtained with MoS2 and Fe3P additions are not as conclusive as with copper addition. The effect of the TS4 powder characteristics (microhardness, size distribution and morphology) on the compressibility was studied in order to maximize the weight fraction of TS4 powder that can be added in a mix. The TS4 powder cannot be added in large quantity in a mix because of its low ductility. Therefore, the optimal weight fraction that can be added to a mix was determined at 20 %m TS4. Due to the study of the powder characteristics and the effect of additives, an optimized mix was designed to manufacture VSI. After the design of the new TS4 powder and of an optimized mix with the TS4 powder, samples were sintered to evaluate the properties after sintering and to study the microstructural evolution of the TS4 particles. The nanoscaled microstructure of the as-atomized TS4 powder becomes mainly micrometric in TS4 particles after sintering. The microstructure of TS4 particles after sintering contains about 50 %v alloyed austenite and about 50 %v of carbides and carbonitrides (M7C3 and M8(C, N)7). The evaluation of mechanical properties (transverse rupture strength, radial crushing strength and apparent hardness) showed that the new optimized mix containing the TS4 powder is comparable to that of a reference mix containing M2 HSS powder used industrially. Moreover, measurements of the wear resistance, by using a specialized bench (rig test) which simulates the operating conditions of VSI, and of the hot hardness showed that the new optimized mix is comparable to the industrial reference mix. Finally, due to the success of this project, the composition of the new powder, the powder production process and the manufacturing process of VSI were patented. In addition, the new TS4 powder is currently produced industrially and the new optimized mix is commercially available to customers of our industrial partner Federal-Mogul. The design of the new TS4 powder and of the new process led to a cheaper tool steel powder which performs just as well as HSS powders such as M2 for VSI. Despite the fluctuating cost of raw materials in the last decade, the new TS4 powder (6.94 $\$$/kg in 2008; 3.78 $\$$/kg in 2012) remains more advantageous than M2 HSS powder (7.66 $\$$/kg in 2008; 5.57 $\$$/kg in 2012), which makes this project still relevant.