Effet du broyage mécanique à haute énergie sur l’infiltration du carbure de tungstène par le bronze

Effet du broyage mécanique à haute énergie sur l’infiltration du carbure de tungstène par le bronze

Abstract— Les carbures cémentés sont souvent élaborés par frittage en présence d’une phase liquide qui est généralement du cobalt. Dans ce travail nous avons opté pour la méthode d’infiltration du carbure par du bronze en fusion. Le broyage préalable de la poudre de carbure élargit la répartition granulométrique et diminue la taille des pores dans la poudre de carbure tassée dans le moule. Ceci permet une meilleure infiltration en raison des forces capillaires importantes. Les analyses EDS X ont révélé d’une part une infiltration des agglomérats de carbures et la dissolution du tungstène dans le bronze. Ce phénomène favorise la consolidation de l’interface métal-carbure.

Mots-clefs : infiltration, cermet, interface, analyse EDS X, densification.

INTRODUCTION

Le point de départ de l’industrie des carbures cémentés se situe aux environs des années vingt, avec la mise au point d’un matériau composite ou cermet obtenu par frittage à partir de WC (céramique) et d’un métal cobalt (Co) en phase liquide [1]. Cette combinaison de phase dure (WC) dispersée dans une phase liquide (Co) confère au cermet WC-Co une dureté élevée alliée à une bonne ductilité. Ces propriétés mécaniques attractives rendent ce composite indispensable dans différents domaines tels : l’usinage des métaux, le tréfilage et le forage pétrolier et minier.

Dans notre cas, nous nous sommes intéressés à densifier les carbures de tungstène (WC et W₂C) par du bronze par la méthode d’infiltration à haute température. Le matériau ainsi élaboré a été caractérisé par microscopie optique et électronique à balayage. Des analyses EDS X ont permis d’étudier la composition au voisinage de l’interface Céramique (WC)-métal.

1. Expérimentation

L’opération d’infiltration consiste à poser des morceaux de bronze sur une poudre de carbure de tungstène, préalablement broyée et tassée dans un moule cylindrique en graphite.

L’ensemble est porté à la température de 1220°C dans un four tubulaire horizontal, sous argon pur. A cette température, le bronze fond et s’écoule par gravité et vient remplir la porosité

de la poudre de carbure. Les forces capillaires favorisent l’infiltration.

Le matériau obtenu est analysé par diffraction des rayons X (DRX) en utilisant le diffractomètre de type Bruker D8, dans l’intervalle angulaire de 20 à 90° avec un pas de 0,02° par seconde.

L’analyse microstructurale est effectuée sur le microscope électronique à balayage (MEB) de type Philips XL30 équipé d’un système d’analyse par dispersion d’énergie (EDS X).

II. Résultats expérimentaux A. Analyse par DRX

La figure 1 montre le spectre de diffraction des rayons X qui révèle une disparition quasi-totale des raies de W2C et apparition de nouvelles raies correspondant au tungstène pur.

Ce phénomène laisse penser à une réaction de l’hémicarbure W₂C avec l’oxygène adsorbé par la poudre de carbure et probablement avec les oxydes superficiels de bronze selon les deux réactions qui sont à l’origine de l’apparition du tungstène pur et la disparition de l’hémicarbure W2C "l’équation 1et 2"

Des travaux analogues ont été rapportés par des travaux antérieurs ayant portés sur l’oxyde Tio₂ réduit par W₂C [2

].

Fig. 1 : Diffractogramme du WC infiltré par du Bronze à 1220°C

SAIDANI Kamal

Deptartement des sciences des matériaux Univesité des sciences et de technologies Houari

boumédiène Bab – Ezzouar alger kamalsaidani@yahoo

RACELMA Ghania Département de chimie Université Mouloud Mammeri

Tizi-Ouzou ghaniaracelma@yahoo.fr

Analyse par microscopie optique

Dans le but de mettre en évidence l’influence de la granulométrie sur la microstructure du cermet élaboré par infiltration, la poudre de carbure a été préalablement broyée pendant une heure et cinq heures.

L’observation au microscope optique montre le carbure (phase grise) incrusté dans le bronze (phase claire) et une faible porosité. L’échantillon broyé pendant 5 heures présente une meilleure homogénéité de répartition des particules de carbures dans la matrice de bonze en raison de leur finesse (figure 2.b). Par contre, l’échantillon broyé une heure (figure 2.a) montre une ségrégation du bronze et des particules grossières de carbures. Le broyage, en diminuant la taille des cristallites, confère au cermet des propriétés mécaniques relativement élevées du fait d’une taille nanométrique des domaines cohérents du réseau cristallin et la réduction de la taille des particules. En effet, la relation de Hall-Petch [3]

montre l’influence de la taille (d) des cristallites sur les caractéristiques de résistance. La taille nanométrique des cristallites nécessite davantage de contrainte pour assurer des déformations plastiques comme le montre la relation de l’Equation 3.

σ = σ

+k d

Eq.3

Où σ est la caractéristique de résistance, d dimensions moyennes des cristallites, σ₀ est la caractéristique initiale et k une constante.

Fig. 2.a: Microscopie du cermet à base de WC broyé 1 h et infiltré par le bronze 1220°C.

Une meilleure répartition de la phase liante (bronze) est observée avec la réduction des tailles des particules des carbures (Figure 4.13). Pastor [4] a montré que les caractéristiques mécaniques du cermet sont liées au rapport de l’épaisseur du liant à celui du carbure. Plus l’épaisseur du liant est relativement plus grande et plus le matériau est déformable et moins dur.

Fig. 2.b: Microscopie du cermet à base de WC broyé 5 h et infiltré par le bronze 1220°C

Analyse par microscopie électronique

La micrographie, en mode d’électrons rétrodiffusés, représentée sur la figure 3, révèle une large répartition granulométrique des carbures (phase claire) baignant dans la phase liante continue de couleur sombre. Des points non infiltrés par la phase liquide apparaissent en noir. Il est à noter que des grosses particules de carbures présentent des taches grises qui sont probablement des micropores infiltrés par le bronze. Ces particules de grosses tailles pourraient être des agglomérats de petites particules formées au cours du broyage.

Par contre, pour le cermet WC broyé 5 heures infiltré à 1220°C (figure 4) montre les particules de carbures (phase claire) de tailles fines baignant dans la matrice. On remarque une différence de contraste de couleur des particules et dans la matrice, ce qui témoigne d’une inhomogénéité de concentration des éléments en présence.

Fig 3 : Micrographie du cermet à base de WC infiltré par du bronze à 1220°C Analyse ponctuelle EDS – X des cermets

Cermet à base de WC broyé 1h

L’identification de phases a été confirmée par des analyses EDS-X effectuées sur de différentes régions de l’échantillon WC broyé1h infiltré par le bronze à 1220°C. Les résultats enregistrés pour les différents points (1, 2, 3, 4 et 5) sont WC

Bron ze

100μ m

20 KV X140 100 μm 10 68

BEC

20 KV X140 100 μm 10 68 BEC

a) Broyé 1 H b) Broyé 5 H

Fig.4. Points 1 et 2 analysés sur le cermet de WC broyé 1h et infiltré par le bronze à 1220°C

Fig. 5: Analyse EDS-X des points 1 et 2 dans le cermet WC broyé 1h et infiltré par le bronze à 1220°C Le premier point d’analyse (point 1) présente une teneur élevé en tungstène, ce qui correspond aux carbures de tungstène. Le point 2 choisi sur la phase grise révèle une grande quantité de bronze (92,74%Cu + 7,16% Sn).

Ces deux analyses permettent donc de séparer les phases claires qui sont des carbures de tungstène et la phase grise qui est le bronze. En outre, nous constatons que le carbure est infiltré par le bronze identifié au sein des particules de carbures.

Fig. 6 : Points 3, 4 et 5 analysés sur le cermet à base de WC broyé 1h et infiltré par le bronze à 1220°C

Fig.7. Analyse EDS-X des points 3 ,4 et 5 dans le cermet WC broyé 1h et infiltré par le bronze à 1220°C

Le point 3 pris dans la phase liante, au voisinage de la phase carbure, a révélé une quantité de 3,74% en masse de tungstène et une grande quantité de bronze. Ceci est en faveur de la dissolution éventuelle du tungstène dans le bronze, ou alors il s’agit du tungstène provenant de la réaction de W2C avec l’oxygène

Le point 4 situé sur une phase grise apparaissant au sein du grain de carbure montre une grande quantité de W et une teneur appréciable en cuivre (8,58% en masse). Ceci justifie l’infiltration des carbures par le bronze.

L’analyse à l’interface carbure bronze présenté par le point 5 révèle la cœxistence du tungstène et le bronze.

Cermet à base de WC broyé 5h

Une identification de phases a été confirmée par des analyses EDS-X effectuées dans de différentes zones de l’échantillon WC broyé 5 h infiltré par le bronze à 1220°C (figure 8).

Point 1

W t % A t % W 9 2 , 9 7 8 2 , 8 9 Sn 0 , 9 1 1 , 2 6 Fe 0 , 1 8 0 , 5 3 Cu 5 , 9 4 1 5 , 8 2

Point 2

Wt% At%

Sn 7,26 4,02

Cu 92,74 95,98

Point 3

Wt% At%

W 98,42 96,35

Sn 0,64 0,96

Cu 0,95 2,69

Point 4

Wt% At%

W 3,41 1,26

Sn 8,40 4,79

Cu 88,18 93,95

Point 5

Wt% At%

W 99,70 99,13

Sn 0,00 0,00

Cu 0,30 0,87

20 KV X140 100 μm 10 68 BEC

20 KV X140 100 μm 10 68 BEC

20 KV X140 100 μm 10 68 BEC

Fig. 9 : Points (1, 2 et 3) sur le cermet à base de WC broyé 5h, infiltré par le bronze à 1220°C

Fig. 10 : Analyse EDS-X des points (1, 2, 3) du cermet WC broyé 5h, infiltré par le bronze à 1220°C

Les résultats de la figure 10 montrent que la phase blanche (point1) est riche en tungstène (98,42%) avec des traces de cuivre et d’étain tandis que la phase sombre contient une quantité de cuivre de 88,18% et 8,40% d’étain. Au point 3, la phase blanchâtre contient un pourcentage très élevé en tungstène (99,70%) et une quantité insignifiante de cuivre (0,30%). Ceci pourrait être probablement du tungstène pur ou du W₂C relativement riche en W.

Fig. 11: analyse ponctuelle (4, 5, 6) du cermet du WC broyé 5h, infiltré par le bronze à 1220°C

Fig. 12 : Analyse EDS-X des points (4, 5, 6) du cermet WC broyé 5h, infiltré par le bronze à 1220°C

Les analyses de la figure 12 montrent les concentrations aux points 4, 5 et 6 indiqués sur la figure 11. Ces analyses révèlent l’existence d’une solution solide de cuivre et d’étain (88,17% de Cu, 8,13% de Sn et 3,7% en masse de W) au point 4 (Phase noire). Ceci est en faveur d’une dissolution du tungstène dans la phase liante ce qui renforce l’interface carbure liant

Le point 5 (de couleur très claire) représente un carbure qui apparaît avec un contraste de couleur. Cette zone renferme une grande teneur en W (93,03%) et (6,31%) de cuivre. Le contraste de couleur est probablement dû à l’infiltration du carbure par le bronze.

Au point 6 l’influence est relativement plus importante (11,21% Cu). Les particules de petites tailles sont agglomérées sous forme de granulats infiltrés par le liant.

Conclusion

Après l’infiltration des carbures de tungstène par du bronze à 1220°C, l’analyse par DRX révèle la disparition de W₂C et la formation de W pur ce qui laisse penser à une réaction de l’hémicarbure avec l’oxygène adsorbé par le mélange et probablement les oxydes superficiels du bronze.

Cette réaction serait à l’origine de l’apparition du tungstène pur et l’élimination de l’hémicarbure.

Point 1

Wt% At%

W 98,42 96,35

Sn 0,64 0,96

Cu 0,95 2,69

Point 2 Wt% At%

W 3,41 1,26

Sn 8,40 4,79

Cu 88,18 93,95

Point 4

Wt% At%

W 3,70 1,36

Sn 8,13 4,64

Cu 88,17 94,00

Point 5

Wt% At%

W 93,03 82,84 Sn 0,66 0,91 Cu 6,31 16,25

Point 6

Wt% At%

W 86,68 70,83 Sn 2,11 2,67 Cu 11,21 26,50

Point 3

Wt% At%

W 99,70 99,13

Sn 0,00 0,00

Cu 0,30 0,87

Nos échantillons ont fait l’objet d’une observation par microscopie optique et microscopie électronique à balayage afin de mettre en évidence l’influence de la granulométrie sur la microstructure du cermet élaboré par infiltration. Les résultats de la caractérisation révèlent une meilleure répartition de la phase liante (bronze) dans le cermet à base de WC broyé 5h dont les tailles des particules sont relativement réduites par l’effet du broyage. L’analyse EDS-X montre une infiltration des carbures par le bronze, et la dissolution du tungstène dans le bronze ce qui renforce l’interface carbure- liant.

REFERENCES

[1] Franchon Arnaud Métallurgie des poudres, Institut des materiaux industriels (IMI)Canada, Novembre 2002.

[2] H. Pastor , (1977), les carbures cémentés n° 710.

[3] Graffet E., Niepce J.C,Charlot F.,Gras Ch.,Le Caer G.,Guichard J.L… Some recent developments in mechanical activation and méchanosynthesis j of mater.

Chem, 9 (1999) .

[4] S .Azem frittage réactionnel en phase liquide des mélange ternaire W-(Co,Ni)-C Thèse de doctorat d’état, MMTO, Juin 2005 .

[5] PAUL Pascal, Nouveau traité de chimie minérale tome XIV P. 898.

[6] J.P.Eberhart analyse microstructurale et chimiques des matériaux, Dunod, Paris, 1997.

[7] J. Barralis, G. Maeder, Précis de Métallurgie P 32, Février 2003.

[8] H. Pastor, décembre 1984, fabrication et propriétés des cermets de carbures de tungstène-cobalt. Prospective dans le domaine de la coupe. Matériaux et technologies.