Effet d’un traitement de surface par projection thermique sur les propriétés structurales et mécaniques d’une fonte grise

Effet d’un traitement de surface par projection thermique sur les propriétés structurales et mécaniques d’une fonte grise

S. TLILI¹, M.Z TOUHAMI², A. KETTACHE³, Y. KHELFAOUI⁴

1Welding and NDT Research centre (CSC). BP 64 CHERAGA- ALGERIA samira_tlili@yahoo.fr

2Laboratoire de Fonderie, Université Badji Mokhtar Annaba, BP 12 Annaba 23000, Algérie

3 Laboratoire de métallurgie physique, Université Badji Mokhtar Annaba, BP 12 Annaba 23000, Algérie

4 Université de Bejaia, Algérie

Résumé

La technique de projection thermique occupe aujourd’hui une place de plus en plus importante parmi les familles de traitements de surface qui joue un rôle incontournable dans de nombreux domaines industriels particulièrement dans la mécanique. Dans ce travail, nous allons montrer l’effet d’un revêtement de molybdène déposé par le procédé de projection à flamme-fil sur les propriétés microstructurales et mécaniques d’une fonte grise à graphite lamellaire.

Les caractérisations par microscopie optique, électronique à balayage et par diffraction RX ont mis en évidence le rôle de la nouvelle microstructure obtenue après projection thermique à flamme-fil dans l’amélioration des propriétés mécaniques particulièrement la résistance à l’usure par abrasion de la fonte grise à graphite lamellaire. Les résultats ont montré que le taux d’usure obtenu pour la fonte revêtue en molybdène est faible que celui de la fonte nue. Cette évolution présente une bonne concordance avec la variation de la dureté.

Mots clés : Traitement de surface, Molybdène, Fonte grise, Microstructure, Propriétés mécaniques.

1. INTRODUCTION

Le dépôt du molybdène par projection thermique est une technique qui ne cesse d’être utilisée et développée.

Cette technique occupe aujourd’hui une place de plus en plus importante parmi les familles de traitements de surface qui joue un rôle incontournable dans de nombreux domaines industriels particulièrement dans la mécanique pour les pistons, les chemises de piston et arbres pour sa haute résistance au frottement et bonne résistance à l’usure [1].

L’usure de plusieurs composants industriels peut être améliorée par des dépôts de molybdène déposés par projection flamme-fil capable de déposer des couches dures et épaisses [2]. Ce présent travail étudie la microstructure, les propriétés mécaniques particulièrement l’usure par abrasion d’une fonte grise à graphite lamellaire après déposition du molybdène par le procédé de projection flamme fil.

2. PROCEDURES EXPERIMENTALES

Le revêtement de molybdène a été déposé sur une surface en fonte grise à graphite lamellaire Ft25 (tableau.1) à l’aide d’un fil en molybdène à 99,9% par le procédé de projection flamme fil.

Tableau 1 : Composition chimique de la fonte Ft25

Cette technique a permis l’élaboration d’un revêtement épais de 780 µm dont les paramètres de projection sont représentés dans le tableau 2.

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 30-40 µ m. Avant la déposition du molybdène, les éprouvettes ont été préchauffées jusqu’à 120°C pendant 15 minutes.

Tableau. 2. Paramètres de la projection flamme-fil

Les échantillons pour analyses microstructurales ont été polis et attaqués suivant les procédures conventionnelles. L’attaque utilisée est le nital à 4%. La microstructure des différentes zones des échantillons revêtus a été caractérisée par microscopie optique, microscopie électronique à balayage et par diffraction aux rayons X. La composition de l’interface revêtement- substrat a été évaluée par spectroscopie dispersive des rayons X en énergie à l’aide du microscope électronique à balayage. Le profil de dureté à travers l’interface - matrice a été déterminé par les tests Vickers en utilisant une charge de 0,5N pendant 15 s Les tets de nanoindentation ont été rélisé sous une charge de 5 gf et une fréquence d’acquisition de 20 Hz.

Les tests d’usure par abrasion ont été effectués à la température ambiante Ces essais tribologiques sont réalisés sur un tribomètre type pion-disque dont l’abrasimètre est composé d’un système porte échantillon fixé sur une

Fonte Teneur des éléments en % massique

Ft 25

C Mn Si P S Fe

3,93 0,68 1,68 0,069 0,051 93,18

Paramètres de la projection Flamme-fil

Métal d’apport (Mo) (%) 99,9

Diamètre du fil (mm) 3,175

Pression de l’oxygène (Pa) 3,1.10⁵

Pression de l’acétylène (Pa) 2,8.10⁵

Pression de l’air comprimé (Pa) 3,4.10⁵

Distance buse-substrat (mm) 120

polisseuse à vitesse variable. Pour définir le critère d’abrasion de la fonte après déposition du molybdène, nous avons employé la méthode de la perte en masse où 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 (24 µm).

3. RESULTATS ET DISCUSSIONS 3.1. Microstructure

Trois zones distinctes ont été observées dans la coupe transversale du revêtement de molybdène (Fig. 2a). Ces zones sont le substrat en fonte grise à structure à matrice perlitique avec une petite quantité de ferrite et un dégagement de graphite en lamelle. La figure. 2b présente la zone de revêtement de molybdène à structure lamellaire caractéristique d’un revêtement par projection thermique [3] composée d’une certaine quantité de porosité type ouvert et fermé, des phases oxydes provenant de l’oxydation au cours de la projection sous forme de porosité type ouvert et fermé, des phases oxydes provenant de l’oxydation au cours de la projection sous forme de liserés d’épaisseur de l’ordre du micron, situés entre deux lamelles du revêtement de molybdène. Il est également à noter la présence de particules de molybdène à l’état non fondu et partiellement fondu (Fig. 2d) Ce dépôt semble adhérent au substrat par la présence d’une zone de liaison assez épaisse d’épaisseur variable (Fig.

2c) [4].

a

Substrat Zone de liaison Revêtement Mo b c d

Figure. 2 : (a) Microstructures des différentes zones de la fonte revêtue, (b) substrat en fonte, (c) zone de liaison, (d) le revêtement Mo.

L’analyse locale par EDAX au microscope électronique à balayage de la zone intermédiaire après une coupe transversale du revêtement a montré que le profil de concentration des éléments est constitué principalement de fer et de molybdène (Fig.3). Ceci confirme la présence d’une zone de diffusion intermétallique à la liaison [5,6]

qui peut former des phases telles que Fe₇Mo₆ et Fe₂Mo[7, 8, 9].

Figure. 3 : Microanalyse EDAX au MEB de la zone de liaison Mo/Ft25

Selon des résultats de diffraction aux rayons X, les couches de molybdène sont formées de molybdène et des oxydes de molybdène qui se diffractent sous différents angles et plans de diffraction (Fig.4). Confirmés par M.

LARIBI et all [10], le taux important d’oxydes de molybdène est contribué au procédé de projection flamme-fil.

Figure. 4 : Spectre de diffraction RX des couches de molybdène

3.2. Propriétés mécaniques 3.2.1. Microdureté

Avant de procéder aux tests d’usure par abrasion, la microdureté à travers l’interface a été déterminée (Fig.5). La dureté dans le matériau de base est presque constante de 230 HV à 250 HV et tend à augmenter tout en se rapprochant vers le revêtement de molybdène en passant par la zone de diffusion. Il est à noter que la dureté au niveau des couches de molybdène est hétérogène et varie entre 930 HV et 1450 HV. Cette hétérogénéité est expliquée par la discontinuité de la structure obtenue après projection flamme fil. La chute de dureté est attribuée

à la présence des porosités et des particules non fondues alors son augmentation est liée aux oxydes de molybdène de différentes natures [10,11]. Il est à noter que cet état mécanique de revêtement donne une dureté d’environ trois fois plus grande que celui de la fonte non revêtu.

Figure

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.

3.2.2. Tets de nanoindentation

Plus de 340 essais de nanoindentation sous une charge de 5 gf et une fréquence d’acquisition de 20 Hz ont été réalisés sur une coupe transversale polie d’un échantillon revêtu en molybdène par le procédé flamme-fi . Dans le tableau 3, nous illustrons les propriétés mécaniques intrinsèques du revêtement de molybdène ainsi que celles de la fonte Ft 25 obtenues après les tests de nanoindentation. Nous remarquons que, le module de Young qui est la plus intéressante propriété décrivant la relation entre la contrainte et la déformation dans le domaine élastique est nettement amélioré après déposition du molybdène par projection flamme-fil. En effet, sa valeur passe de 214 GPa à 337 GPa après projection flamme-fil.

Tableau 3. Propriétés mécaniques après nanoindentation de la fonte avant et après déposition du molybdène par projection flamme-fil.

Echantillon

Propriétés Module de Young

GPa

Dureté GPa

Coefficient ν

Fonte Ft25 214 3,6 0,25

Couches de Mo 337 13,2 0,30

3.2.3. Usure par abrasion

Les tests d’usure ont été effectués pour étudier l’effet de l’effort normal de la fonte revêtue en molybdène sur le comportement à l’usure par abrasion. Les résultats de la variation de la perte en masse en fonction du parcours en variant l’effort normal de 2,5 N, 10 N à 20 N donne des courbes d’allure similaire (Fig.6) avec un taux d’usure qui change en fonction de la charge appliquée (tableau.4).

Figure. 6 : 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 4. Variation du taux d’usure en fonction de l’effort normal

En effet, avec l’augmentation de la charge, l’usure provoque l’endommagement considérable de la surface et le taux d’usure par conséquent augmente à partir d’un parcours de 100 m. Ainsi la charge 10 N peut être considérée comme la charge critique de transition vers une usure importante. Donc la charge appliquée peut être un des facteurs de transition vers une usure sévère. Il est à noter que la présence de porosités dans la structure du revêtement de molybdène après projection flamme fil crée une phase douce utile pour le processus d’usure [11].

Sachant que le molybdène présente un bas coefficient de frottement, ceci lui permettra d’être identifié comme un bon revêtement contre l’usure. Cette baisse du coefficient de frottement après les tests d’usure dans le système

Effort normal (N)

Taux d’usure (

. 10

m

g

Couches de Mo Fonte Ft 25

2,5 10 20

6,00 10,00 13,00

12,35 16,00 123,00

disque-pion contribue à la formation à la surface d’un

Ce film crée est dû aux conditions atmosphériques d’élaboration des couches de molybdène par la technique de projection flamme-fil. En effet, le molybdène projeté à l’air en se combinant avec de l’air donne naissance aux oxydes durs type MoO₂ (figure.4.). Ces oxydes participent d’une manière très significative à l’amélioration de la résistance à l’usure en plus de la présence du molybdène qui joue le rôle d’un autolubrifiant

montre aussi les sillons d’usure par abrasion de la surface d

dans le sens de glissement. Comme nous constatons des zones sombres produites lors de l’essai formées progressivement entre le revêtement et l’antagoniste. En plus, les observations microscopiques ont

zones lisses ainsi que la présence des pores au niveau des surfaces usées caractérisant le mécanisme d’usure. Le nombre des trous (pores) augmente avec l’élévation de l’effort normal. Cet état de surface caractérise la rupture du revêtement par déformation plastique.

Figure. 7 (a,b,c) : Micrographies optiques montrant le mécanisme d’usure par abrasion en fonction de l’effort normal abrasive des couches de molybdène. Les zones sombres présentent les films d’oxydes, les zones grises à fond clair est le molybdène.

4. CONCLUSION

Dans ce travail, l’apport du revêtement de molybdène par projection flamme microstructure obtenue après projection thermique à flamme

la fonte grise à graphite lamellaire.

zone interdiffusion entre le revêtement de molybdène et le substrat en fonte grise renforçant l’adhérence du revêtement.

L’étude de la résistance à l’abrasion, les résultats ont montré que 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 celu

concordance avec la variation de la dureté ce qui confirme la bonne résistance à l’usure abrasive des couches de molybdène.

pion contribue à la formation à la surface d’un film tribochimique lors de l’essai de l’usure par abrasion Ce film crée est dû aux conditions atmosphériques d’élaboration des couches de molybdène par la technique de

fil. En effet, le molybdène projeté à l’air en se combinant avec de l’air donne naissance aux . Ces oxydes participent d’une manière très significative à l’amélioration de la résistance à l’usure en plus de la présence du molybdène qui joue le rôle d’un autolubrifiant

montre aussi les sillons d’usure par abrasion de la surface de la fonte grise revêtue en molybdène qui sont dirigés dans le sens de glissement. Comme nous constatons des zones sombres produites lors de l’essai formées progressivement entre le revêtement et l’antagoniste. En plus, les observations microscopiques ont

zones lisses ainsi que la présence des pores au niveau des surfaces usées caractérisant le mécanisme d’usure. Le nombre des trous (pores) augmente avec l’élévation de l’effort normal. Cet état de surface caractérise la rupture

déformation plastique.

Micrographies optiques montrant le mécanisme d’usure par abrasion en fonction de l’effort normal abrasive des couches de molybdène. Les zones sombres présentent les films d’oxydes, les zones grises

Dans ce travail, l’apport du revêtement de molybdène par projection flamme-fil a mis en évidence le rôle de sa microstructure obtenue après projection thermique à flamme-fil sur l’amélioration des propriétés

Par ce procédé on a obtenu une structure lamellaire avec l’existence d’une zone interdiffusion entre le revêtement de molybdène et le substrat en fonte grise renforçant l’adhérence du

de la résistance à l’abrasion, les résultats ont montré que 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 film tribochimique lors de l’essai de l’usure par abrasion.

Ce film crée est dû aux conditions atmosphériques d’élaboration des couches de molybdène par la technique de fil. En effet, le molybdène projeté à l’air en se combinant avec de l’air donne naissance aux . Ces oxydes participent d’une manière très significative à l’amélioration de la résistance à l’usure en plus de la présence du molybdène qui joue le rôle d’un autolubrifiant. La figure 7(a,b,c) e la fonte grise revêtue en molybdène qui sont dirigés dans le sens de glissement. Comme nous constatons des zones sombres produites lors de l’essai formées progressivement entre le revêtement et l’antagoniste. En plus, les observations microscopiques ont révélé des zones lisses ainsi que la présence des pores au niveau des surfaces usées caractérisant le mécanisme d’usure. Le nombre des trous (pores) augmente avec l’élévation de l’effort normal. Cet état de surface caractérise la rupture

Micrographies optiques montrant le mécanisme d’usure par abrasion en fonction de l’effort normal abrasive des couches de molybdène. Les zones sombres présentent les films d’oxydes, les zones grises

fil a mis en évidence le rôle de sa fil sur l’amélioration des propriétés mécaniques de Par ce procédé on a obtenu une structure lamellaire avec l’existence d’une zone interdiffusion entre le revêtement de molybdène et le substrat en fonte grise renforçant l’adhérence du

de la résistance à l’abrasion, les résultats ont montré que 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 i 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

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