Effets des particules de graphite et de Mo₂C sur le frittage et les propriétés mécaniques de la poudre 18Cr4VNbMo
L'acier 18Cr4VNbMo est un acier allié à haute teneur en carbone couramment utilisé dans la fabrication d'outils de coupe. Ses propriétés mécaniques sont nettement supérieures à celles obtenues par les procédés de fabrication traditionnels, notamment le frittage en phase liquide à supersolidification (SLPS), qui exploite la différence de température entre la ligne de solidus et la ligne de liquidus. Cependant, la plage de fonctionnement de ce procédé est relativement étroite.
Les ingénieurs de TRUER, soutenus par des professeurs de l'université HNN, ont ajouté une quantité appropriée de graphite et de particules de Mo₂C à la poudre 18Cr4VNbMo, réduisant ainsi la température de frittage de densification de 1450 °C à 1275 °C, ce qui élargit la fenêtre de processus.
1. Processusschéma du procédé de métallurgie des poudres
Composition chimique de la poudre 18Cr4VNbMo (wt%)
La composition chimique des particules de Mo₂C (10 % en poids de TP3T ajouté)
Cette étude a permis de concevoir trois procédés de préparation de poudres composites.
Schéma 1 : Ajouter 0 wt%, 3 wt% et 6 wt% particules Mo₂C à la poudre 18Cr4VNbMo ;
Schéma 2 : Ajouter 0,3 wt%, 0,6 wt% et 0,9 wt% particules de graphite à la poudre 18Cr4VNbMo ;
Schéma 3 : Ajouter 6 particules wt% Mo₂C à la poudre 18Cr4VNbMo, puis ajouter respectivement 0,3 wt%, 0,6 wt% et 0,9 wt% de graphite.
La poudre mélangée a été soumise à un mélange humide, un séchage et un pressage. Elle a ensuite été chauffée sous atmosphère d'argon à 350 °C pendant 1 heure pour le dégraissage, puis à 950 °C à une vitesse de 5 °C/min pendant 1 heure pour une densification préliminaire.
La température a ensuite été augmentée à une vitesse de 3 °C/min jusqu'à la température cible et maintenue pendant 1 heure afin d'obtenir une densification complète. La température a ensuite été abaissée à une vitesse de 10 °C/min jusqu'à 500 °C et l'échantillon a été refroidi dans le four.
2. Microstructure
Les principaux carbures détectés dans l'échantillon fritté, notamment M23C6, M6C et M7C3. Après l'introduction de 0,6 % en poids de poudre de graphite TP3T, la formation du M7C3 Une phase a été détectée.
+ graphite et Mo₂C à 1150 °C + graphite et Mo₂C à 1450 °C
L'échantillon 18Cr4VNbMo contenant des particules de graphite et de Mo₂C a eu du mal à atteindre la densification à 1150°C, ce qui a entraîné la formation de particules sphériques ainsi qu'un grand nombre de cols de frittage (photo de gauche).
L'analyse élémentaire aux interfaces des particules a révélé un enrichissement significatif en oxygène et en fer. Cette observation indique que, dans les conditions de frittage actuelles, les interfaces entre les particules restent recouvertes d'une couche d'oxydes métalliques. Cette couche d'oxyde entrave fortement la diffusion atomique et la liaison métallurgique entre les particules, inhibant ainsi le processus de densification à cette température.
Lorsque la température de frittage a atteint 1450 °C (photo de droite), la poudre initiale s'est densifiée. Une structure de carbure étirée s'est formée aux joints de grains. L'analyse élémentaire a révélé une importante ségrégation du chrome dans cette zone. Combinée à l'analyse par diffraction des rayons X, cette observation a permis de déduire que cette phase était principalement de type M.23C6 phase.
L'introduction de graphite a favorisé la transformation de l'état métastable M23C6 phase à la M stable7C3 La formation de cette phase a considérablement amélioré la dureté et la résistance à l'usure du matériau, mais a simultanément accru sa fragilité. Des essais mécaniques ultérieurs l'ont également confirmé.
Dans le système de poudre 18Cr4VNbMo, le M7C3 et M23C6 Les phases sont stables dans la gamme des hautes températures. Lors du refroidissement jusqu'à l'état d'équilibre, la composition de phase se transforme progressivement en une solution solide cubique centrée dominée par M.23C6.
3. Densification
Dans la plage de températures de 1350 à 1400 °C, les densités relatives des échantillons contenant 3 % en poids de Mo₂C et 6 % en poids de Mo₂C ont augmenté fortement, atteignant une densification significative à 1400 °C, les densités relatives s'établissant respectivement à 98,87 % et 98,99 %. À 1450 °C, la densité relative de la poudre compactée initiale était de 98,69 %. Cette différence de densification en fonction de la température s'explique par le fait qu'à haute température, certaines particules de Mo₂C subissent une décomposition partielle et libèrent du carbone. Ce carbone participe à des réactions d'oxydoréduction, levant ainsi les barrières de diffusion d'oxydes recouvrant la surface des particules de poudre.
Les densités relatives des compositions contenant 0,6 % en poids de graphite TP3T + 0 % en poids de Mo₂C TP3T et 0,6 % en poids de graphite TP3T + 6 % en poids de Mo₂C TP3T ont augmenté brusquement pour atteindre respectivement 99,65 % et 99,67 % lorsque la température a atteint 1275 °C. À ce stade, les poudres étaient complètement frittées et formées, et leurs densités théoriques étaient respectivement de 7,68 g/cm³ et 7,79 g/cm³.
En revanche, les compositions contenant 0,3 wt% graphite + 0 wt% Mo₂C et 0,3 wt% graphite + 6 wt% Mo₂C n'ont atteint la densité relative maximale qu'à 1325°C (99,52% et 99,43% respectivement).
Donc, en ajoutant 0,6 % en poids de graphite TP3T et 6 % en poids de particules de Mo₂C TP3T par rapport à l'original 18Cr4VNbMo La poudre a permis une réduction de 12% de la température de frittage requise pour la densification.
4. Propriétés mécaniques
Lorsque la température de frittage dépasse le niveau optimal et continue d'augmenter, la résistance à la flexion des échantillons contenant du Mo₂C diminue significativement. Cette dégradation est attribuée à la température de frittage excessive qui favorise la croissance des carbures et la formation d'une grande quantité de phase liquide, ce qui entraîne la formation de pores et une atténuation de la résistance à la flexion.
Après l'ajout de différentes quantités de graphite à la poudre initiale, le matériau atteint rapidement sa résistance à la flexion maximale à une température de frittage plus basse, principalement grâce à l'effet de renforcement du graphite sur la cinétique de densification. Cependant, l'ajout de poudre de graphite entraîne une diminution de la résistance à la flexion du matériau à l'état densifié : comparée à la poudre initiale, la poudre de graphite provoque une précipitation importante de M7C3 les carbures présents dans le matériau, qui consomment excessivement les éléments de chrome dans la matrice, affaiblissent le renforcement par solution solide et la ténacité, et le réseau de carbures fragiles formé aux limites de la poudre fournit un chemin de faible résistance pour la propagation des fissures.
Ce phénomène indique que le contrôle rationnel de la précipitation et de la distribution des carbures est d'une importance capitale pour améliorer les propriétés mécaniques en flexion du matériau.
Après frittage de densification, les échantillons contenant 3 wt% et 6 wt% Mo₂C ont atteint des valeurs de dureté maximales de 655 HV et 743 HV, respectivement, nettement supérieures aux 586 HV de la poudre d'origine.
Ce renforcement est attribué à la phase de renforcement introduite par les particules de Mo₂C : l’ajout de Mo₂C favorise la précipitation massive de M6Les carbures C et les carbures durs précipités le long des joints de grains entravent efficacement le mouvement des dislocations.
L'ajout de poudre de graphite modifie le type de carbures de seconde phase qui précipitent dans la poudre d'origine. Puisque M7C3 possède une dureté supérieure à celle de M23C6, les échantillons auxquels du graphite a été ajouté présentent une dureté nettement supérieure à l'état densifié par rapport à la poudre originale non modifiée.
Sous l'effet combiné de la poudre de graphite et des particules de Mo₂C, la précipitation de carbures secondaires de haute dureté (en particulier M)6C) augmente encore, et la dureté globale de l'échantillon continue d'augmenter.
Plus précisément : les échantillons contenant 0,3 wt% graphite + 6 wt% Mo₂C et 0,6 wt% graphite + 6 wt% Mo₂C ont atteint des valeurs de dureté maximales de 819 HV et 813 HV respectivement.
5. Analyse des fractures
Lors de l'essai de flexion sur différentes sections de la poudre 18Cr4VNbMo d'origine, aucune anisotropie significative n'a été observée sur la surface de rupture. Les fissures se sont propagées préférentiellement le long des joints de grains, formant un motif de roche caractéristique, indiquant un mécanisme de rupture intergranulaire typique.
De plus, un grand nombre de M23C6 Des carbures ont précipité aux joints de grains de la poudre densifiée 18Cr4VNbMo. Sous l'effet des contraintes, ces particules de carbure ont subi une fracture par clivage, présentant une structure en terrasses parallèles, et ont finalement abouti à un mode de fracture mixte, dominé par une rupture intergranulaire et un clivage au sein des carbures.
6. Conclusion
Dans cette étude, un matériau composite (graphite/Mo₂C biphasé ajouté à 18Cr4VNbMo) a été fabriqué par la technique SLPS. Les effets synergiques des particules sur le comportement de densification, l'évolution de la microstructure et les propriétés mécaniques à différentes températures de frittage ont été étudiés de manière systématique. Les principales conclusions sont les suivantes :
(1) La poudre brute frittée subit une précipitation de la phase carbure à l'interface des poudres. L'ajout de graphite provoque la transformation de la phase précipitée en M7C3 phases.
(2) La température de densification de la poudre 18Cr4VNbMo contenant 0,6 poids de graphite et 6 poids de Mo₂C a diminué de 1450 °C à 1275 °C (une réduction d'environ 12%), la dureté pendant l'étape de densification a augmenté de 586 HV à 819 HV (une augmentation de 39,8%) et la résistance à la flexion a atteint 1366 MPa.
(3) L'échantillon fritté de la poudre d'origine a présenté un mode de fracture mixte de fracture intergranulaire le long des limites de la poudre et de clivage transgranulaire au sein des carbures.
