ETUDE DES PROPRIETES MECANIQUES DES COUCHES DE MOLYBDENE PROJETEES THERMIQUEMENT SUR UNE FONTE GRISE
Samira.TLILIa, Mohamed Zine TOUHAMIb, Nacereddine. ZEGHIBc, Abdelkader.KHETTACHEb
a
Laboratoire de Fonderie, Université Badji Mokhtar Annaba/ Unité de Recherche en Sidérurgie Métallurgie URASM- CSC Annaba BP 12 Annaba 23000, Algérie
b Laboratoire de Métallurgie Physique, Université Badji Mokhtar Annaba BP 12 Annaba 23000, Algérie
c Laboratoire de Recherche en Mécanique des Matériaux et Maintenance Industrielle (LR3MI) Université Badji Mokhtar, BP 12 Annaba 23000, Algérie
Abstract - The coatings obtained by thermal spraying are used in order to meet the most stringent industrial requirements in the fields of application wider. The molybdenum coating is one good wear resistance which used in several mechanical applications. In this work, we have studied the mechanical properties of molybdenum coating deposited using thermal spraying on gray cast iron with lamellar graphite. After optimization of spraying parameters, the microstructure has been studied using the optical microscopy, scanning electron microscopy and the X-ray diffraction. Also, the mechanical properties such as microhardness and elastic properties like elastic modulus using nanoindentation test have been evaluated on cross section sample polished. The weight loss has been studied using the abrasive wear test varying the normal load. The results obtained have showed an improvement the mechanical properties of gray cast iron after deposit of molybdenum.
Résumé - Les revêtements par projection thermique sont utilisés pour satisfaire les exigences industrielles les plus sévères, dans les domaines d’application les plus étendus. Le revêtement de molybdène est l’un des revêtements possédant une bonne résistance à l’usure utilisé dans de nombreuses applications mécaniques. Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés mécaniques d’un revêtement de molybdène déposé par projection flamme fil sur une fonte grise à graphite lamellaire. Après optimisation des paramètres de projection, la microstructure a été étudiée par microscopie optique, électronique à balayage et par diffraction des rayons X. Les caractéristiques mécaniques obtenues par microdureté et nanoindentation ont été évaluées sur une coupe transversale polie. La perte en masse a été effectuée en utilisant des tests d’usure par abrasion dans des conditions à secs en variant l’effort normal. Les résultats obtenus ont montré une nette amélioration des propriétés de mise en œuvre de la fonte grise à graphite lamellaire après déposition du molybdène par projection flamme fil.
Tirés à part : TLILI Samira, Université de Badji Mokhtar / URASM-CSC Annaba, BP12-23000- ANNABA-ALGERIE.
1. INTRODUCTION
Le procédé de projection thermique permet d’élaborer des revêtements épais avec des propriétés tribologiques intéressantes. Il permet en outre la mise en œuvre d’une large gamme de matériaux et la modification des propriétés en surface. Parmi les procédés de projection, la projection à flamme qui est assez répandue à l’échelle industrielle et représente 25% du marché de la projection thermique.
Les revêtements de molybdène projetés thermiquement sont souvent utilisés dans de nombreux secteurs industriels à savoir le secteur automobile (têtes de soupape, pistons,…) aéronautique (ailettes de turbines fixes, chambre de combustion..) et l’industrie du papier [1] grâce à leurs excellentes propriétés de résistance à l’usure. Cependant le comportement et la durabilité des ces revêtements dépend des propriétés métallurgiques et mécaniques ainsi que des conditions de réalisation des dépôts [2].
Ces revêtements sont généralement projetés sur des aciers afin d’améliorer leurs propriétés de surface. Très peux de travaux sont consacrés aux revêtements de molybdène des fontes grises particulièrement celle à graphite lamellaire. En effet, la forme du graphite désavantageuse au niveau des propriétés mécaniques donne lieu à des concentrations de contraintes assez importantes [3].
Ceci explique la relative faiblesse des caractéristiques de résistance et le faible allongement des fontes grises à graphite lamellaire.
Dans ce présent travail, nous avons déposé des couches de molybdène sur une fonte grise à graphite lamellaire par projection thermique à flamme-fil dans le but d’améliorer son comportement mécanique notamment la résistance à l’usure abrasive en variant l’effort normal dans des conditions d’usure à sec.
2. MATERIAU ET TECHNIQUES EXPERIMENTALES
2.1. Matériau
Nous avons utilisé comme matériau de base (substrat), une fonte grise à graphite lamellaire.
Le tableau I montre la composition chimique de cette fonte qui est caractérisée après coulée par une structure à matrice perlitique avec une petite quantité de ferrite et un dégagement de graphite en lamelles (figure.1).
Tableau. I. Composition chimique de la fonte grise Ft25.
Echantillon % massique des éléments d’addition dans la fonte
C Mn Si P S Fe
Fonte Ft25
3,93 0,68 1,68 0,069 0,051 93,18
Figure. 1. Micrographie MEB montrant la structure de la fonte grise Ft25
2.2. Conditions de dépôt et techniques de caractérisation
Avant la projection thermique à flamme fil, les éprouvettes de forme cylindrique (20 mm x100 mm) ont subi au préalable un usinage pour donner un état de surface favorisant l’adhérence du dépôt au substrat puis grenaillées par une opération de sablage en utilisant des particules d’abrasifs (Al2O3) entraînées par de l’air sous pression et dirigées sur le substrat. Pour éliminer les particules de sable incrustées dans les creux et toutes traces de graisse, un nettoyage ultérieur au trichlore a été réalisé. Le temps de sablage de 15 minutes exercé à une pression de l’ordre 3 à 4 bars a donné une rugosité (Ra) de l’ordre 30-40µm. Avant la déposition du molybdène, les éprouvettes ont été préchauffées jusqu’à 120°C pendant 15 minutes.
Le tableau II illustre bien les paramètres de la projection flamme-fil des éprouvettes revêtues d’une épaisseur de 0,78 mm avec une rugosité en surface de 10,5 µm obtenue à l’aide d’un rugosimètre à palpeur avec imprimante intégrée type Mitutoyo Surftest SJ-301.
Tableau II. Paramètres de la projection flamme fil.
Paramètres de la projection Flamme fil
Métal d’apport (Mo) (99,9%)
Diamètre du fil (1/8 pouces)
Pression de l’oxygène 4 l/min
Pression de l’acétylène 42 l/min
Pression de l’air comprimé 50 bars
Vitesse de rotation du mandrin 211 tours/min
Distance buse-substrat 120 mm
Température de la flamme 3000°C Vitesse de projection des particules 150 m/s
La morphologie du revêtement a été étudiée en utilisant un microscope optique LEIKA DMLM /KAPPA. L’analyse par EDAX au microscope électronique à balayage JEOL JMS-6380 a été employée pour obtenir des informations quantitatives sur les éléments présents dans la zone de liaison dépôt-substrat. La diffraction des rayons X a été effectuée à l’aide d’un diffractomètre type Philips avec une anticathode en cuivre (λCu-Kα= 0,154 nm).
L'acquisition des diagrammes de diffraction a été faite en conditions symétriques, avec un pas de 0,08° et une gamme d'angle de 2θ (10 à 99°) en se servant des fiches ASTM (American Society for Testing of Materials) pour l’indexation des pics.
Le profil de microdureté Vickers ainsi que les observations métallographiques en fonction de la profondeur dépôt-substrat ont été réalisés sur des coupes transversales polies et attaquées chimiquement.au nital à 2%. Des essais de nanoindentation exécutés sur un nanoindenteur avec une pointe type Berkovich nous ont permis de déterminer la dureté Berkovich ainsi que les propriétés élastiques notamment le module de Young.
Lors des essais d’usure par abrasion à sec, nous avons appliqué des efforts 2,5 N, 10 N et 20 N avec un cycle de 10 secondes pour une vitesse angulaire de 60 tours/min, en utilisant du papier en carbure de silicium de grade 220 (24µm). Dans ces tests nous avons considéré la relation perte de masse absolue en fonction du parcours.
3. RESULTATS ET DISCUSSION
3.1. Microstructure du dépôt
Les observations au microscope optique (figure 2) d’une coupe transversale ont montré que le dépôt de molybdène projeté par le procédé flamme fil possède une structure lamellaire caractéristique d’un revêtement obtenu par projection thermique [4]. Ce dépôt semble adhérent au substrat en fonte avec une certaine quantité de porosité type ouvert et fermé. D’autres phases sont mises aussi en évidence, il s’agit des phases oxydes provenant de l’oxydation au cours de la projection. Elles se présentent sous forme de liserés d’épaisseur de l’ordre du micron, situés entre deux lamelles de molybdène (oxydes interlamellaires). Il est également à noter la présence de particules de molybdène à l’état non fondu et partiellement fondu.
a) Coupe transversale du dépôt de molybdène b) Couche de molybdène
Figure 2. (a, b). Micrographies optiques du dépôt de molybdène sur la fonte Ft25.
Les observations au microscope électronique à balayage de l’interface substrat et couches de molybdène ont révélé une zone de liaison. Cette dernière analysée par EDS au MEB a montré que le profil de concentration des éléments est constitué principalement de fer et de molybdène (figure.3).
Ceci confirme la présence d’une zone de diffusion intermétallique à la liaison [5,6] qui peut former des phases types FexMoy et FexMoyOz [7, 8, 9].
Figure 3. Microanalyse EDS par MEB de la zone de liaison Mo/Ft25
La microstructure du dépôt de molybdène obtenu par flamme fil a été identifiée par diffraction des rayons X Le spectre a révélé après projection flamme fil que ce dépôt est formé en plus du molybdène des oxydes de molybdène. Ces oxydes se trouvant sous forme lamellaire sont de type MoO3 qui se diffractent sous plusieurs angles et plans de diffraction ainsi que les oxydes Mo9O
26et enfin Mo
4O
11 (figure 4).
En comparant les analyses par diffraction X déjà [2] menées sur le revêtement de molybdène par projection flamme fil, les résultats obtenus paraissent correspondre aux études faites par M.Laribi et al sur le comportement mécanique des revêtements de molybdène déposés sur un acier de type 35CD4
Figure 4. Spectre de diffraction RX des couches de molybdène
4. Analyse mécanique
L’étude microstructurale de la fonte revêtue a révélé une structure hétérogène du dépôt de molybdène projeté par flamme fil. Les particules d’oxydes présents peuvent jouer un rôle sur la dureté superficielle et par conséquent sur la résistance à l’usure abrasive, ce qui nous incite à déterminer les propriétés mécaniques de l’ensemble du dépôt.
4.1. Evolution de la microdureté Vickers
D’après C.S. Ramachandran [10] et F.H. Yuan et all [11], la microdureté est une caractéristique fondamentale et un indice de qualité pour connaitre la microstructure et les propriétés du revêtement par projection thermique. La figure 5 montre le profil de la microdureté Vickers en fonction de la distance de l’échantillon en fonte grise revêtue en molybdène. En effet, la microdureté est élevée au niveau du dépôt de molybdène puis diminue progressivement jusqu’au substrat en passant par la zone de liaison.
Nous remarquons que la dureté dans le dépôt est hétérogène et varie entre 940 Hv et 1400 Hv. Ceci s’explique par la discontinuité de la structure par la présence des pores de différentes formes ouvertes et fermées ainsi que des oxydes de molybdène de différentes natures (figure.4). La diminution de dureté au niveau du revêtement de molybdène est attribuée à la présence des porosités et des particules non fondues [12,13].
La dureté obtenue après déposition du molybdène est en moyenne trois fois plus grande que celle de la fonte non revêtu.
Figure 5. Profil de microdureté Vickers en fonction de la profondeur des couches de molybdène déposées par projection thermique flamme- fil sur une fonte grise Ft 25.
4.2. Tests de nanoindentation
En se référant à la littérature [14, 15, 16, 17], les propriétés des matériaux projetés thermiquement sont différentes selon les sollicitations soit en traction ou/et en compression. Les essais conventionnels sont difficiles à réaliser [18]. Pour cela on a effectué des tests de nanoindentation afin de déterminer les propriétés mécaniques du revêtement de molybdène.
Plus de 340 essais de nanoindentation sous une charge de 5gf et une fréquence d’acquisition de 20 Hz ont été réalisés sur des coupes transversales polies du revêtement de molybdène dont la rugosité en surface est représentée en 3D par la figure 6.
Figure 6. Cartographie 3D sur une coupe transversale du dépôt obtenu par flamme-fil.
La figure 7 illustre les deux courbes charge-décharge des essais de nanoindentation respectivement pour le revêtement de molybdène et la fonte grise. La partie de chargement correspond à la pénétration de l’indenteur dans la matière et la partie de déchargement correspond au retrait progressif du pénétrateur. On admet que l’échantillon pour les deux cas est isotrope et homogène.
Figure 7. Courbes « charge-décharge » des essais de nano indentation dans le revêtement du molybdène et le substrat en fonte grise à graphite lamellaire.
D’après ces courbes, il apparait que la capacité à la déformation de la fonte revêtue en molybdène est plus grande que la fonte nue confirmée aussi par les valeurs de duretés avec un effet de pile- up plus significatif de la fonte grise à graphite lamellaire. Les calculs du rapport hf/hmax donne pour le molybdène une valeur de 0,71 alors que celui de la fonte nue est de 0,91. Ce phénomène expérimental est en apport avec les calculs de Bolshakov et pharr [19] qui fixent un rapport de hf/hmax> 0,7 pour la présence du pile-up et un rapport hf/hmax<0,7 pour sa disparaition.
Dans le tableau III on présente les propriétés mécaniques intrinsèques du revêtement de molybdène obtenues après les tests de nano indentation. Le module de Young qui est la plus intéressante propriété décrivant la relation entre la contrainte et la déformation dans le domaine élastique [14]. La valeur obtenue après les tests de nanoindentation est en fonction du taux de porosités, de fissures présentes dans le dépôt [20] ainsi que le taux d’oxyde. Il est à noter que la valeur du module de Young est d’autant plus importante que le taux d’oxydes est élevé et le taux de porosité est réduit [21].
Tableau III. Propriétés mécaniques après nanoindentation
4.3. Comportement tribologique des couches de molybdène
Le dispositif utilisé pour évaluer le comportement à l’usure abrasive du revêtement de molybdène est représenté par la figure 8. La variation de la perte en masse de la fonte grise revêtue en molybdène en fonction du parcours en variant l’effort normal de 2,5 N, 10 N et 20 N en conditions sèches est donnée par la figure 9. Confirmé par plusieurs auteurs, cette variation est linéaire et elle est d’autant plus affectée que la charge appliquée est plus importante [21].
A partir de ces courbes, le calcul des pentes montre que les taux d’usure change en fonction de l’effort normal et cela pour les couches de molybdène ainsi que pour le substrat en fonte grise (tableau IV). Ce taux est assez important pour la fonte nue que la fonte après déposition du molybdène.
Pour un effort normal de 2,5 N, nous avons révélé par des examens métallographiques et des mesures de dureté que la couche de molybdène au delà de 17m de parcours est totalement enlevée, par contre que pour des efforts supérieurs, les couches de molybdène s’éliminent respectivement à des distances de 13 et de 11m.
Le comportement à l’usure des couches de molybdène ainsi que de la fonte nue dépend donc de la microstructure, de la microdureté, et des conditions expérimentales [13].
Figure 8. Dispositif d’usure du système pion-disque : (1) effort appliqué, (2) porte échantillon, (3) échantillon, (4) papier abrasif et (5) disque tournant [22].
Echantillon
Propriétés Module de Young
GPa
Dureté GPa
Coefficient ν
Fonte Ft25 214 3,6 0,25
Revêtement de Mo 337 13,2 0,30
Figure 9. Variation de l’effort normal en fonction du parcours de la fonte grise revêtue en molybdène.
Conditions d’usure : ω=60 tours/min, antagoniste (SiC=24 µm).
Tableau VI. Variation du degré d’usure en fonction de l’effort normal
Effort normal (N)
Degré d’usure ( .10−3 m
g )
Couches de molybdène Fonte Ft25
2,5 10 20
6,00 10,00 13,00
2,35 16,00 123,00
5. CONCLUSION
Les procédés de projection thermique font maintenant partie de la panoplie des techniques de traitements de surface préconisées dans la protection des pièces contre l’usure par abrasion.
Le dépôt de molybdène obtenu par le procédé flamme fil présente une structure lamellaire avec la présence une zone de liaison type chimique renforçant l’adhérence par rapport à l’accrochage mécanique avec une dureté supérieure à la dureté de la matrice qui est de l’ordre de 220HV. De plus ce revêtement a une excellente dureté qui varie de 940 HV à 1400 HV. Cette hétérogénéité est due d’une part aux particules d’oxydes durs et à la présence des porosités et des particules non fondues d’autre part.
L’utilisation de la technique de nanoindentation a permis de déterminer les propriétés mécaniques intrinsèques principales de dureté et de module respectivement pour le substrat en fonte et le revêtement en molybdène. Les résultats confirment la bonne performance de la fonte après déposition du molybdène par projection flamme fil.
Pour l’étude de la résistance à l’abrasion, le mécanisme d’usure est le même avec un effet notable de l’effort normal sur le degré d’usure des couches de molybdène et du substrat. Le taux obtenu pour la fonte nue est plus important que celui de la fonte revêtue en molybdène. Cette évolution présente une bonne concordance avec la variation de la dureté ce qui confirme la bonne résistance à l’usure abrasive des couches de molybdène.
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