INFLUANCE DE LA TENEUR DU LIANT SUR L’EVOLUTION DE LA STRECTURE ET LA DENSITE DE L’ALLIAGE (Fe-Ni)-CARBURE
COMPLEXE FRITTE
Kahloul L1, Boudabene S1
1: laboratoire de Métallurgie et Génie des matériaux, Département de Métallurgie et Génie des matériaux, Université d’Annaba, B.P12, 23000 (ALGERIE), l.kahloul@yahoo.fr.
Résumé :
Le frittage réactif des mélanges de poudres (Ti – Cr – W – Mo – graphite) sous compression uniaxiale, a été utilisé pour obtenir des pastilles de carbures cémentés (carbures complexes - alliage fer – nickel). Les résultats des investigations ont montré que les températures d’amorçage des effets thermiques (Td), et de frittage (Tmax), la structure et la densité relative du matériau, se sont avérées sensibles aux additions de fer – nickel. Le frittage en présence d’un taux croissant de dilution se distingue par un abaissement de Td et une diminution de l’effet thermique des réactions. La formation des carbures se fait d’une manière incomplète ou sélective. Les carbures de titane et de chrome se sont formés instantanément lors du pic exothermique, par contre, les carbures de tungstène et de molybdène sont le résultat d’une diffusion incomplète du carbone en phase solide. Le maintien isotherme sous charge à 1100°C, a permis d’une part, d’accélérer les mécanismes de densification du matériau par écoulement de matière, et d’autre part d’achever la formation des carbures. La densité du matériau et sa dureté, dépendront de la teneur du liant.
Pour un taux de 50%(Fe-Ni), sa densité relative est de 95%, et sa dureté de 78 HRA.
Mots clés : Frittage réactif, compression, effets thermiques, carbures, phase liquide, densité, dureté, cermet.
Introduction
Les matériaux composites à matrices métalliques renforcées par dispersion de particules dures demeurent une des voies les plus économiques pour obtenir les matériaux résistant à l’usure. Parmi ces matériaux, les cermets ou carbures cémentés sont élaborés habituellement par la voie de la métallurgie des poudres classique selon deux technologies : la première, incluant la synthèse du carbure sous forme de poudre, le mélange avec le liant métallique et compaction et enfin le frittage en phase liquide. La deuxième, comportant également la synthèse du constituant dur (carbure, nitrure, oxydes …) sous forme de poudre, addition d’une faible quantité de liant, mélange et précompactage à froid et enfin le frittage sous charge ou compression à chaud [1,2].
Beaucoup d’autres matériaux, parmi lesquels les composites à base de nitrures, carbures, oxydes ou autres intermétalliques, sont obtenus selon ces deux technologies. Cependant, elles exigent beaucoup de temps et surtout des dépenses d’énergie élevées, d’où augmentation du prix de revient de ces matériaux [3]. De ce fait, de nouvelles technologies d’élaboration de ces matériaux sont prospectées dans le but de diminuer le nombre d’opérations constituant la gamma de fabrication et par conséquent, d’en réduire le prix de revient. Parmi ces voies, celles mettant en jeu le frittage réactif associé à la compression à chaud, sont des
plus prometteuses. Elle présente ainsi l’avantage, relativement au frittage en phase solide classique ou même au frittage en présence d’une phase liquide, d’élaborer et de densifier le matériau en même temps.
De ce fait, l’objectif de cette étude est l’élaboration de cermets complexes par frittage réactif sous charge, des mélanges de poudres d’éléments carburigènes (Ti-Cr-W-Mo-Graphite) et du liant métallique (Fe-Ni).
Matériaux, techniques d’élaboration et de caractérisation
Dans le but d’étudier l’influence de la phase liquide sur la densification du matériau et le déroulement des réactions exothermiques lors du frittage réactif, nous avons étudié plusieurs compositions, ou le pourcentage pondéral du liant Fe + Ni varie de 0 à 50 % (tableau 1)
Tableau 1- Composition des mélanges de départ.
N° d’échantillon
Composition (% Pds) Masse de
l’échantillon (g) Phase
carburigène
Liant métallique
11 100 0 3
12 90 10 3
13 80 20 3
14 70 30 3
15 60 40 3
16 50 50 3
Sur la base d’études précédentes, nous avons choisi comme liant métallique l’alliage Fe Ni ayant une bonne aptitude au mouillage des particules de carbures (TiC, WC, MoC, Cr7 C3). La composition du liant : 80% de Fe et 20% Ni.
Composition de la phase carburigène :
Nous supposons que les réactions de formation des carbures sont totales, c’est-à-dire que toutes les poudres introduites dans les mélanges de départ lors de la synthèse se transforment en carbures (TiC, WC, Cr7C3, MoC).L’élaboration de nos échantillons a nécessité la conception et la mise au point d’une
manipulation très complexe au laboratoire de métallurgie des poudres du Département de Métallurgie et Génie des matériaux. Pour atteindre la température critique nécessaire au démarrage du frittage réactif, les échantillons sont chauffés avec la même vitesse de montée en température. Pour comprendre les
mécanismes de densification et de formation de la structure lors du frittage réactif sans charge nous avons choisi trois régimes à étudiés :
Frittage et maintien sous charge……….. (1)
Frittage sous charge et maintien……….. (2)
Frittage sans charge ……… (3)
La caractérisation du matériau ne peut être complète que si elle fait appel à la corrélation de plusieurs méthodes entre-elles. Ainsi, dans notre étude, nous avons fait appel à différentes techniques d'analyse et de caractérisation. L'analyse métallographique et la détermination de la densité du matériau ont permis de constater les changements quantitatifs importants lors de frittage. L’identification des phases et l’étude de leur morphologie a été rendue possible grâce à l’analyse par diffraction des rayons X (D.R.X).
Résultats et discussion
Le frittage réactif se distingue du frittage classique par la possibilité de déroulement d'une ou de plusieurs réactions chimiques suite à des processus diffusionnaires. L'évolution de la porosité lors de ce type de frittage s'accompagne alors de l'apparition de nouvelles phases, résultant de l'interaction entre les poudres de départ.
Les réactions de formation de ces nouvelles phases peuvent modifier sensiblement le déroulement du processus de frittage en phase solide. Les effets thermiques des réactions conditionnent les mécanismes de frittage mis en jeu.
Figure1 : Histogramme comparatif illustrant l’évolution des températures de frittage en fonction des ajouts (Fe + Ni)
Comme il s'agit de l'élaboration d'un composite complexe où plusieurs carbures sont soudés par le liant métallique soit l'alliage (Fe + Ni), il est important de connaître l'influence des différentes teneurs du mélange (Fe+ Ni) sur les effets thermiques des réactions se déroulant lors de ce type de frittage. On retient donc que la dilution du mélange actif par des teneurs croissantes de fer- nickel, influe peu sur la température du début de l’effet thermique. Le démarrage des réactions exothermiques a lieu dans un intervalle de température assez étroit, indépendamment de la teneur en fer-nickel.
Influence de régime de frittage sur la densité relative du matériau
Aussi, en plus de la diminution du volume des pores, on observe également un net changement de leur forme et de leur répartition, preuve du déroulement des mécanismes densifiant tel que :
L’écoulement forcé (dynamique) de la phase liquide dans les pores sous l’effet de la contrainte, et cela pendant un temps très court (première étape du processus de densification).
L’écoulement visqueux (fluage) du liant dans le domaine austénitique, lors du maintien sous contrainte à 1100° C (dernière étape de la densification).
Figure 2 : Evolution de la densité relative en fonction du régime de frittage
Evolution de la structure au cours du frittage réactif
Le rôle du liant métallique dans la formation de la structure s’est avéré primordial. Dans nos conditions expérimentales, l’ajout du mélange de poudres Fe - Ni dans la composition des échantillons entraîne une densification du matériau.
50 60 70 80 90 100
0 10 20 30 40 50 60
Ajouts Fe-Ni (% P d s)
Dencité relative, (%)
X100 X100 X100
X100 X100
A B C
D E
Figure 3 : Macrographie des échantillons frittés selon le régime1 (A : 10 %, B : 20%, C : 30%, D : 40%, E : 50% de (Fe-Ni)
La fermeture des pores résulte donc du déroulement successif de ces deux mécanismes. La sphéroïdisation des pores prouve bien le déroulement du frittage accéléré en phase solide. La diminution du volume des pores est bien illustrée par les micrographies de la figure 4.
L’échantillon contenant 10% (Fe + Ni) seulement présente une structure faiblement densifiée (dr= 55%), par contre avec un taux de liant de 50% la densité dépasse 95%.
Figure 4 : Microstructure de l’échantillon à 40% de (Fe-Ni) fritté selon le régime1 à différents grossissements
.Les résultats de l’analyse par diffraction des rayons X sont illustrés par les spectres de diffraction figure 5 et figure 6. On constate que la nature des phases évolue en fonction du temps de maintien isotherme. On retient donc que les résultats du frittage réactif sous charge des mélanges de poudres (Ti-Cr-Mo-W- Graphite) dépendent dans une large mesure, du taux d’addition de Fe-Ni.
Intensité, (u.a)
2Théta, ( Degrés )
⊙ ▢
▢
■
◈
▢
⊙
▓◌◌
□
■
▢
■
◆
◆ ⊙
▓
◈
○ ○◆
X860 X500
◆ FeNi ◊ W ▓ Cr3C2 ⊙ WC ■ Cr7C3 ◈ W2C
□ Cr23C6 ◉ W3C ▢ TiC
○ MoC ◇ C ◌ Mo2C
Figure 5 : Spectre de diffraction des RX de l’échantillon à 30% de (Fe + Ni)
Conclusion
Cette étude est le résultat d’une tentative d’élaboration d’un cermet ou composites carbures complexes (TiC, MoC, Cr7C3, WC) – liant (Fe+Ni) par frittage réactif /compression. Les principaux résultats peuvent être résumés comme suit :
- La dilution des mélanges de départ (Ti, Cr, W, Mo, graphite) par le mélange
fer–nickel, modifie sensiblement le déroulement du frittage réactif. L’effet exothermique du à la formation des carbures, diminue avec l’augmentation de la teneur en fer-nickel. Le pic exothermique apparaît plutôt pour les échantillons enrichis en liant.
- La phase liquide apparaissant lors du pic exothermique joue un rôle primordial dans la
densification et la formation de la structure du matériau. L’application d’une charge pendant tout le cycle est à l’origine d’une densification importante de l’échantillon.
- Le recuit sous charge réalisé à 1100°C, directement après le pic exothermique a permis également de modifier la nature et les proportions des carbures, en modifiant leur rapport C/Me par diffusion du carbone en phase solide.
-Le matériau obtenu est constitué d’une masse de carbures complexes entourée de l’alliage Fe-Ni, avec une dureté variant de 78 à 89 HRA, selon la teneur du liant.
REFERENCES
[1] .Michael Christensen; Goran Wahnstron, Effecvto of cobalt interganular segregation interface energetic in Wc – Co Acta Materialia 52 (2004) 2199.2207
[2] .Jinkwam Jung, Shinhoo Kan,g, Effect of ultra fine powderson the microstructure of Ti (CN) – xWC – Ni cermeto. Actu Materialia 52 (2004) 1379 – 1386
Int ensité, (u.a)
2 Théta, (Degrés)
□
◉
☉
◉
◉
■
■ ◈ ◊ ▓
◆
▢◈
☉☉ ▓
◈
◊
◊◊
◊
Figure 6 : Spectre de diffraction des RX de l’échantillon à 40% de (Fe + Ni)
◆ FeNi ◊ W ▓ Cr3C2 ⊙ WC ■ Cr7C3 ◈ W2C
□ Cr23C6 ◉ W3C ▢ TiC
○ MoC ◇ C ◌ Mo2C
[3] .H. X. Peng, F.P.E. Dunne, P.S. Grant, B.Canton Dynamic densification of metal matrix – cratend fibre composite. Modellingand processing, Act Matérialia 53 (2005) G 17- 628
[4]. Ann. Chim. Sci. Saïd BOU8DEBANE, Influence des additions sur la synthèse par combustion auto propagée de la céramique TiC – Al2O3 Mat. 2002, 27
