CARACTERISATION D’UN COMPOSITE WC-W-NI OBTENU PAR INFILTRATION : EFFET DU NICKEL SUR LA CONSOLIDATION DU WC/W

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 127

CARACTERISATION D’UN COMPOSITE WC-W-NI OBTENU PAR INFILTRATION : EFFET DU NICKEL SUR LA CONSOLIDATION DU

WC/W

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C

H. Bouchafaa¹, Z. Boutaghou ¹ et D. Miroud ¹

1: LSGM, Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés, USTHB, hbouchafaa@yahoo.fr.

Résumé :

Ce travail s’intéresse essentiellement à l’évolution microstructurale du mélange de poudres libres WC- 5W-5Ni au cours de l’infiltration par le liant Cu10Ni6Sn. Ce procédé non conventionnel est souvent utilisé pour réaliser la matrice des outils de forage pétrolier et minier. Nous avons caractérisé les différentes zones du composé formé afin de mettre en évidence l’effet du nickel sur la consolidation de WC/W2C en l’absence de tungstène, ainsi que la réactivité des éléments de la poudre sur la microstructure produite. La morphologie et la répartition des éléments constituants la matrice sont établies par MEB couplé à l’EDS. Un profil de concentration et cartographie, établis par EDS, sont réalisés afin d’étudier aussi bien l’effet de la réactivité de la poudre avec le liant qu’avec les éléments eux mêmes. Nous avons aussi réalisé un profil de microdureté HV0.1 dans le sens de l’infiltration des consolidés.

Mots clés: Infiltration, poudres libres, composite, frittage.

1 Introduction

L’industrie de la métallurgie des poudres est une industrie en plein essor depuis quelques décennies en raison des avantages techniques et économiques qu’elle procure. Un nombre de plus en plus croissant de pièces fabriquées par cette filière est destiné aux industries des secteurs de l’énergie nucléaire, de l’automobile, de l’aéronautique. Dans le domaine du forage pétrolier, les performances des outils dépendent fortement des propriétés des matériaux qui constituent la partie active. Le compromis de résistance à l’usure et la ténacité est assuré par la consolidation de mélange de particules réfractaires dures (WC et/ou W plus Ni) en phase liquide par le procédé d’infiltration spontanée d’un liant métallique (généralement à base de Cu) [1].

Contrairement aux outils de coupe (usinage), où les nuances binaires WC-Co (avec une teneur en cobalt variant de 5 à 20% et une taille moyenne de grain de WC variant de 0.8 à 25 µm), les matrices des outils de forage sont constituées essentiellement de mélanges infiltrés de WC-Ni /W-Ni où des particules de diamants naturels ou synthétique (PDC) sont respectivement serties ou brasées dans la partie active.

Différents procédés de frittage en phase liquide de matériaux à multiphases sont développés dans l’industrie pour réaliser les outils de forage pétrolier. Le procédé d’infiltration occupe une place importante permettant de produire ces éléments avec une densité élevée et un minimum de changement dimensionnel. Elle consiste à infiltrer soit un corps preux (opération en post-formage) soit un mélange de poudres libres (formage direct) avec un infiltrant liquide adéquat. Plusieurs techniques ont été développées. Les principales sont l’infiltration spontanée et l’infiltration sous pression [2].

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Le processus de l’infiltration spontanée est basé sur le fait que les pores interconnectés des poudres libres (non tassées, non compactées) sont remplis avec un métal ou alliage ayant un bas point de fusion, qui arrive de l’extérieur. L’attraction capillaire devient la force motrice de l’infiltration causant la réduction de l’énergie surfacique interfaciale. Le liquide recouvre la phase solide des poudres de la matrice. Ce processus peut prendre place sans retrait substantiel [3].

Pour mieux comprendre les phénomènes complexes intervenants dans le processus de densification par infiltration, nous devons les situer par rapport aux phénomènes intervenants en phase liquide, à savoir, ceux relatifs au frittage en phase liquide. Largement traités dans la bibliographie, les notions relatives au frittage en phase liquide constitueront un repère incontournable pour notre étude.

Le frittage avec phase liquide est un procédé d’élaboration de matériaux à partir de poudres ayant aux moins deux constituants : l’un d’eux doit être susceptible de fondre à la température de frittage, permettant ainsi la présence d’une phase liquide qui assure la densification du matériau. L’écoulement du liquide par capillarité assurant l’élimination de la porosité. Ce procédé est utilisé depuis le début du siècle pour élaborer des alliages lourds tels que W-Ni, W-Ni-Cu, W-Ni-Fe [4-6].

Le frittage en phase liquide est, généralement, analysé à partir d’une description en trois étapes dès que la température du frittage est atteinte. Il s’agit, successivement du réarrangement, de la dissolution- précipitation et de la coalescence des grains. Cette description correspond à celle de Kingery qui est le modèle le plus utilisé [4-6].

Dans notre étude, nous nous sommes intéressés à l’infiltration du mélange (WC/W2C-15Ni) et le comportement de ces deux éléments vis-à-vis du liant utilisé, ainsi qu’à l’effet du nickel sur l’éventuelle décarburation des carbures de tungstène (WC/W2C), observée dans les composés (WC/W2C-5W-5Ni).

2 EXPERIMENTATION

Tout en respectant les normes de caractérisation en vigueur dans le domaine des poudres, nous nous sommes efforcés à se rapprocher le plus possible des conditions d’élaboration industrielles utilisées par la Direction de production de l’Entreprise Nationale de Services aux Puits (ENSP), ex-Algérienne des Diamants (ALDIM).

2.1

Poudres utilisées

Les poudres utilisées dans notre étude sont livrées par l’unité de production d’outils de forage pétrolier et minier de l’ENSP. Elles proviennent de deux fournisseurs principaux, à savoir Christensen–Hugues (USA) et Sulzermetco-Woka (Allemagne).

En premier lieu et avant toute élaboration, nous avons procédé à la caractérisation des poudres pures de base, à savoir les poudres de nickel (Ni), les poudres de carbure de tungstène (WC/W2C) et le mélange de poudre (WC/W2C-15Ni). Nous avons également effectué la caractérisation du mélange de poudres (WC/W2C-5W-5Ni) utilisé pour la production des outils de forage. La morphologie du mélange de poudres (WC/W2C-5W-5Ni) (voir figure 1) est obtenue par le Microscope Electronique à Balayage (MEB) de marque JEOL JSM 6830,en utilisant l’image en électrons secondaires qui permet de visualiser l’aspect de la surface des poudres.

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le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 129 Figure 1 : Cliché MEB montrant l’aspect des poudres constituant le mélange industriel (WC-5W-5Ni)

avec l’important écart de granulométrie de la poudre de W.

Nous notons une forme irrégulière voire angulaire, aux angles vifs avec des surfaces rugueuses accidentées pour les particules de WC/W2C, une forme polygonale facettée pour la poudre de W, un aspect sphérogranulaire très marqué des particules de Ni.

Le mélange industriel est livré sous forme de mélange composé de poudres où la granulométrie sommaire varie de 38 à plus de 212 μm. Ce mélange de poudres est utilisé dans nos investigations sans que leur composition ou répartition granulométrique ne soient affectées.

2.2

Liant utilisé

La consolidation des poudres libres (WC/W2C, Ni) ainsi que le mélange des poudres est réalisée par infiltration du liant en bronze industriel de composition chimique Cu10Ni6Sn .Les résultats de l’analyse par fluorescence X du liant sont donnés dans le tableau 1.

Tableau 1 - Composition chimique du liant métallique utilisé dans l’infiltration.

2.3

Elaboration des consolidés

L’infiltration est effectuée dans un four électrique ELINO à une température de consigne de l’ordre de1180°C pour un temps de maintien de 25 min. Les poudres à consolider sont mises dans un moule en graphite conçu spécialement pour l’élaboration des échantillons sujets de cette étude.

Pour la détermination de la température d’infiltration des échantillons et afin d’assurer une bonne répartition du liquide à travers les poudres à consolider, il est recommandé, en pratique, de choisir une température d’infiltration entre 100 et 140°C au-dessus de la température du point de fusion du liant [3].

La température moyenne de fusion moyenne du liant, obtenue après analyse thermique différentielle (ATD de marque SETARAM Labsys ATD-DSC, est de l’ordre de 1045°C.

Elément

^Cu ^Ni ^Sn ^Mn ^Fe ^Mo ^Si

% pds balance 9,75 6,26 5,15 1,30 1,19 0,60

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3 RESULTATS ET INTERPRETATIONS

3.1

Infiltration du WC

L’état des microstructures des consolidés de WC infiltrés à 1180°C pour une durée de maintien de 25 min révèle un taux de porosité élevé.Cependant l’analyse EDS dans les zones de la phase liante (voir figure 2a et tableau 2) laisse supposer que l’état d’effritement des bords des particules de WC correspond à une décarburation de WC/W2C. La proportion de carbone dans la zone riche en cuivre (2) est non négligeable.

Qualifiant la densification de ce consolidé de mauvaise, probablement pour la quantité insuffisante du liant, nous notons que l'influence de la quantité de liquide sur la densification dépend de la nature des constituants à fritter et en particulier de leur solubilité mutuelle [7].

En effet, dans le cas du système WC-Cu (défini par aucune solubilité du solide WC dans le liquide), une densité relative supérieure à 90% n'est atteinte que pour une fraction volumique de liquide au moins égale à 60%, bien supérieure à 35% en raison de grains solides facettés et non sphériques conduisant à une densité relative initiale, D0, bien inférieure à 0,65[7].

La dissolution du Nickel avec le temps de maintien de 25 min (voir figure 2b) atteint le stade de la dissolution totale et l’apparition de la structure dendritique semblable à celle du liant pour l’échantillon à 25 min (pas de différence de structure entre le liant et le consolidé).

Dans le cas du consolidé WC infiltré à 1180°C pour un temps de maintien de 25 min, où la quantité du nickel dans la phase liante provient seulement du liant de composition Cu10Ni6Sn, il est probable que la quantité du nickel (10%en poids) existant dans le liant apportée pour la consolidation des poudres de WC soit insuffisante pour assurer une bonne densification.

Figure 2 : Micrographies au MEB en électrons rétrodiffusés montrant la microstructure de WC et Ni infiltré à 1180°C (a) WC et (b) Ni ; PL : phase liante.

Tableau 2

-

Composition chimique à l’EDS des differentes phases présentes dans le consolidé WC infiltré à 1180°C pour un temps de maintien de 25 min.

(5)

3.2

Infiltration de WC/W

2

C-15Ni

Comme nous l’avons déjà évoqué plus haut, pour un temps de maintien de 25 min, la densification de WC seul est mauvaise, ceci est dû probablement à la forme facettée du WC. A cet effet, nous avons élaboré par infiltration, dans les mêmes conditions, un consolidé WC/W2C-15Ni (en l’absence de W) afin d’étudier l’effet de l’ajout du Nickel sur la densification de WC.

Les micrographies en électrons rétrodiffusés de la figure 3 montrent une très bonne densification du consolidé WC/W2C-15Ni. Comparé aux microstructures de WC seul infiltré dans les mêmes conditions, il semble que la proportion 10% en masse de Ni est insuffisante pour bien consolider la poudre de WC seul et que l’activité de Ni ajouté à l’état solide (aussi bien en phase solide qu’en phase liquide) est très favorable pour assurer une meilleure mouillabilité du liquide.

Figure 3: Micrographies au MEB en électrons rétrodiffusés montrant la microstructure du consolidé WC/W2C-15Ni infiltré à 1180°C pendant 25 min

Cependant en l’absence de W, la proportion supplémentaire de Ni dans le liquide a tendance à favoriser la décarburation de WC (voir figure 3).

Ce phénomène a été observé par CH. Just [8] qui explique la fragmentation de WC par l’activation de la diffusion du carbone vers la phase liant en présence du Ni, causant ainsi une décarburation du WC/W2C qui dépend de la température et du temps du maintien.

L’analyse ponctuelle effectuée par EDS a été réalisée sur différents points de l’interface WC/phase liante (voir figure 4a). La phase liante avoisinant les bords de WC au point (8) est riche en carbone, ceci est probablement dû à la décarburation du WC/W2C. En revanche, l’interface WC/phase liante (en gris) s’appauvrit en carbone (voir tableau 3).

Phases

Eléments (% massique)

Sn Mn W C Ni Cu Si

(1) - - 90,66 9,34 - - -

(2) 4,08 3,63 - 8,15 12,63 64,61 6,86

(3) 33,04 7,76 - - 32,69 23,89 2,61

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Figure 4 : (a) Micrographies au MEB en électrons rétrodiffusés de la microstructure de WC/W2C-15Ni, infiltré à118°C pour un temps de maintien de 25min, exposant les différentes zones ciblées pour analyse

ponctuelle ;(b) Profil de concentration des éléments chimiques présents dans le consolidé.

La microdureté est mesurée à l’aide d’un microduromètre Vickers de marque Shimadzu HMV-2, muni d’un pénétrateur en diamant à base carrée. La charge appliquée est de 100 g avec un temps d’application de 10 s et la mesure des deux diagonales de l’empreinte nous donne la dureté. Nous avons effectué plusieurs mesures de micodureté HV0.1 pour les zones : (1), (6) et (8) et les valeurs moyennes de la microdureté sont reportées dans le tableau 3.

Tableau 3- Composition chimique à l’EDS des différentes phases présentes dans le consolidé WC/W2C- 15Ni infiltré à 1180°C pour un temps de maintien de 25 minutes.

zone

Eléments( % massique)

Microdureté HV0.1

Sn Mn W C Ni Cu Fe

(1) - - 88,16 11,84 - - - 2681

(2) - - 88,11 11,95 - - - -

(3) - - 81,71 13,81 1,54 2,30 0,64 -

(4) - - 77,97 14,67 3,48 3,88 - -

(5) 4,63 3,28 - 9,11 19,27 62,75 0,95 -

(6) 4,05 3,78 - 7,75 22,16 60,65 1,41 424

(7) 4,15 3,88 8,56 22,19 59,81 1,43 -

(8) 5,07 3,78 - 8,31 21,10 60,45 1,29 226

(a) (b)

(7)

A l’interface du grain WC et la phase liante (Zone 6), nous avons enregistré une valeur moyenne de microdureté HV0.1 de l’ordre de 424, cette valeur est proche de la micodureté moyenne du tungstène.

Ceci semble consolider l’effet de la décarburation du grain de WC/W2C donnant, probablement, lieu à une fragmentation de celui-ci en grains de W et au carbone libre.

Le profil linéaire de concentration et la cartographie chimique réalisés par EDS dans la zone de l’interface WC/phase liante (voir figures 4b et 5) révèlent la répartition uniforme des éléments principaux constituant le liant métallique (Cu, Ni, Sn, Mn), dans la phase liante et dans la zone de décarburation de WC. Le nuancé en gris au niveau des bords en décarburation de WC (voir figure 4b) montre qu’en l’absence de W, le processus de décarburation est activé davantage par la proportion du Ni pour une durée de maintien en infiltration de 25 min.

Figure 5 : Cartographie établie par EDS montre la répartition des principaux éléments chimiques du consolidé (WC/W2C-15Ni) infiltré à 1180°C pour un temps de maintien de 25 min.

4 Conclusion

L’addition de Ni au mélange réfractaire WC/W2C assure une meilleure densité du consolidé pour le cycle 1180°C/25 min. Cependant, son activité en phase liquide entraine la décarburation du WC/W2C.

Le profil de microdureté HV0.1 établi dans la phase liante du consolidé WC/W2C-15Ni dans le sens de l’infiltration semble confirmer le double effet de durcissement dû à la dissolution total du Ni (en proportion élevée : 20% en masse) et de décarburation. En effet, comparé au profil de microdureté HV0.1 du consolidé de WC seul (dans les mêmes conditions d’infiltration 1180°C, 25 min), l’écart moyen varie entre 40 et 50 HV0.1.

Références

[1] D. Bouvard, " Métallurgie des poudres ", Ed. Hermes science ,2002.

[2] J.K. Park., S.J.L. Kang., K.Y. Eun " Microstructural change during liquid phase sintering of W-Ni- Fe alloy", Metall. Trans.A, vol.20A, P 837-845,1989.

[3] S. Domsa, R. Orban, " New developments in wear resistant hard materials processing by the powdered matrix infiltration, with molten binder alloy ", Euro PM 99, European conference in advances hard materials production, Italy, P 199–204, Novembre1999.

[4] R. M. German, "Liquid Phase Sintering ", Plenum press, 1985.

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le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012, http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 134 [5] R. M. German, Pavan Suri, Seong Jin Park, " Review: liquid phase sintering", J. Mater. Sci. 44, P31–

39, 2009.

[6] D. Bernache-Assolant, " Chimie physique du frittage ", Hermes, 1993.

[7] Y.V. Naidich. W.I.A. Lavrinenko,V.A. Evdokimor, " Liquide phase sintering under pressure of tungsten-nickel-copper composites ", Poroshkovay metollurgiya, 1977.

[8] CH. Just, E. Badisch and J. Wosik " Influence of welding current on carbide: matrix interface properties in MMCs " Journal of materials processing technology 210, P 408-414, 2010.