Simulation Numérique de l’Usure Superficielle du Carbure Métallique sous Hautes Sollicitations Thermomécaniques

Préparation et caractérisation des cermets 

Métallurgie des poudres: La métallurgie des poudres peut être caractérisée par les trois mots clés suivants : poudre, pression et température. Les différents modes de fabrication sur laquelle elle repose, permettent l’obtention de pièces poreuses ou non, de formes, dimensions et masses variées. Les techniques employées successivement au cours de l’élaboration d’un composant peuvent se résumer de la façon suivante[92-94]:  Elaboration de la poudre.  Densification et mise en forme.  Frittage.  Caractérisation de la dureté et la micro-dureté. 

Elaboration de la poudre

Les poudres utilisées ne sont pas des produits naturels au sens où elles ne sont pas issues directement du milieu naturel. Elles sont produites suivant différentes méthodes dont chacune se distingue par les propriétés conférées non seulement à la poudre en terme de granulométrie, microstructure, coulabilité, compressibilité, mais également à la pièce finale. Ces méthodes peuvent être dissociées en deux classes différentes : les méthodes mécaniques et chimiques.

La poudre WC-Co

La poudre WC-Co est une poudre à base de carbure de tungstène elle constitue une base pour la fabrication des outils de coupe et des pièces d’usure. C’est un matériau extra fin puisque la taille des grains est inférieure à 1 µm. De ce fait, le matériau présente une très mauvaise coulabilité, particulièrement gênante lors du remplissage automatique industriel des matrices. Le mélange est alors transformé sous forme de granules Fig.(І-2.1) qui présente une micrographie. Ces granules, de forme sphérique, ont un diamètre qui varie de 40 à 220 µm, avec une valeur moyenne d’environ 200 µm. La cohésion des constituants, carbure de tungstène WC et cobalt Co, est assurée par un liant organique , généralement du polyéthylène glycol (PEG). La masse volumique apparente ρ du matériau est de 3.20 g/cm3 tandis que la masse volumique théorique est ρth = 14.40 g/cm3 [25,27] . La poudre WC-Co « Micrograin tungstene carbide grade » : C’est un mélange de poudres de carbure de tungstène et de cobalt largement utilisé industriellement notamment pour la fabrication d’outils de coupe et de pièces d’usure. Figure.(І-2.1): Microstructure de la poudre comprimé WC et Co I-2-2-2 La poudre TiC: Structure cristalline du carbure de titane cristallise, dans le système cubique à faces centrées (CFC), le paramètre de leur maille proche (a= 0.4328 µm). Dans la maille, les atomes de titane forment un réseau cubique à faces centrées, alors que les atomes de carbone ou d’azote sont localisés dans les interstices octaédriques. Bien que le TiC soit classé comme matériau à liaison métallique, il a aussi un degré de liaison covalente et de liaison ionique. La structure covalente (entre les atomes métal-carbone et métal-métal) résulte de l’interaction entre l’état 2p du carbone et l’état d du métal, et aussi de l’interaction entre les atomes métalliques. La nature ionique résulte du transfert d’électrons du métal vers le carbone. La dureté élevée est expliquée par le caractère covalent, par contre, les conductivités électriques et thermiques sont liées au caractère métallique de la liaison. Ce comportement est expliqué par la présence de lacunes de carbone dans le réseau. La valeur maximale du paramètre « a » de TiC, est obtenue pour un rapport C/Ti  0,85 et non pour TiC stœchiométrique. Le carbone est un élément stabilisant de la phase α du titane. Sa solubilité maximale dans la phase hexagonale de titane, est très faible (d’environ 1,6% at) à une température inférieure à 920°C et la solubilité dans la phase  de titane est inférieure à 0,7%at. à une température inférieure à 1670°C [95].

Caractéristiques et propriétés des TiC

Caractéristiques atomiques du carbone et du titane: Il est à noter que l’électronégativité d’un élément n’est pas une valeur fixe car elle dépend de l’état de covalence et que le rayon atomique de C et Ti peut aussi varier, car la taille est associée à une fonction d’onde et à son état d’hybridation. Les facteurs qui déterminent la nature d’un composé sont les caractéristiques atomiques jouant un rôle important dans la formation d’un carbure, parmi ces facteurs nous citons:  La différence d’électronégativité entre un élément et un autre : il est a noter que pour la formation du carbure de titane, cette différence est importante.  La taille respective des atomes : le carbone possède un rayon atomique très petit, lorsque la différence de taille est grande, la formation d’un composé interstitiel est favorisée et lorsque cette différence est faible, la formation d’un composé covalent est présente (par exemple SiC).  La nature de la liaison chimique de ces atomes est d’une grande différence en électronégativité favorisant une liaison ionique, alors qu’une faible différence favorise la liaison covalente.  Propriétés et caractéristiques du carbone et du titane(TiC) : Le TiC possède une énergie de liaison et un caractère réfractaire relativement élevé. Ces propriétés, telles que le point de fusion, la dureté, la résistivité électrique, sont fortement liées à cette énergie de liaison. Etant donné le large domaine de composition et la présence de défauts cristallins dans les réseaux, il existe une grande diversité des valeurs trouvées dans la littérature concernant les propriétés du carbure de titane. Une autre raison de cette diversité provient de l’effet des impuretés, comme par exemple la présence d’oxygène, qui a tendance à noircir le matériau selon la proportion présente [96-100]. Le Tab.(І-2.1) comporte un résumé des propriétés de TiC. Tableau.( І-2.1 ): Propriétés thermomécaniques du TiC. Caractéristiques et propriétés TiC Structure cristallin CFC de type Nacl a=0.4328nm Masse moléculaire 59.91 (g/mol) Densité 4.91 Points de fusion 3067 (°c) Chaleur spécifique cp 33.8 (j/mol.K) Conductivité thermique 21K (w/m.°c) Coefficient de dilatation thermique 7.4 x10-6 /°C Dureté de Vickers 28-35 (GPa) Module d’élasticité 410-150 (GPa) Coefficient de poisson 0.3 Résistance à l’oxydation A l’aire 800°C

Le processus de préparation de la poudre avant le frittag

  Le broyage : Repose sur la fragmentation d’un matériau solide sous l’effet de chocs répétés. Des éléments étrangers tels que des billes sont généralement utilisés afin d’accroître l’intensité du broyage sous l’effet des impacts, de la pression et des frottements mutuels. Le broyage peut être réalisé à sec ou par voie humide.  L’atomisation : Consiste à désintégrer et solidifier un métal liquide sous l’effet d’un gaz, d’un liquide sous pression, ou d’ultrasons. Le degré de dispersion, de forme et de structure des particules de poudre peuvent varier en changeant l’énergie mise en jeu, la température, la viscosité, la tension de surface et les conditions de refroidissements de l’alliage liquide. Les méthodes chimiques sont beaucoup plus nombreuses et variées. On peut citer comme exemple :  La réduction : Le procédés utilise principalement le carbone et l’hydrogène comme milieu réducteur. Une partie des poudres est réduit par l’intermédiaire d’un agent réducteur solide, subit diverses opérations de séchage, séparation magnétique, recuit. Néanmoins, le procédé d’atomisation tend aujourd’hui à supplanter ce procédé : nous verrons que la poudre, étudié dans ce manuscrit, est une poudre atomisée.  L’électrolyse : Une solution aqueuse d’un sel de métal est réservée à la production de poudres très pures (fer, cuivre, nickel par exemple). Son utilisation est également limitée par son coût relativement élevé. Chapitre I 56  Séchage des poudres : Un processus effectué pour éliminer l’humidité contenue dans les poudres sous formes de molécules simples (O2) ou composées (H2O) adsorbées à la surface des particules de poudres. Pour cela il subit le séchage selon les conditions suivantes :  Température de séchage 150°C ÷ 200°C  Temps de séchage 6 heures. La méthode par plasma permet de produire des poudres ultrafines. Les particules de poudres sont produites sous l’action d’un jet d’argon ionisé à très haute température, 4500◦C à 5000◦C.

Procédure de frittage, tests de dureté et caractérisation des échantillons (cermets)

Techniques de préparation de la poudre et de l’échantillon avant frittage

La technique de préparation de l’échantillon à partir des mélanges de poudres de départ, destinée à l’élaboration de la céramique (WC-Co-TiC) a été réalisée selon les opérations suivantes :  préparation de la poudre : calcul du poids massique de la composition WC, Co, TiC pour les quatre échantillons en fonction de leurs pourcentages massiques.  Pesée : La pesée des poudres WC, Co, et TiC est effectuée par une balance électrique de type OHUMS. Ces mesures sont effectuées selon le pourcentage massique des échantillons et ses géométries.  Broyage : Le broyage a pour but la réduction des agglomérats formés lors de la synthèse à différentes distributions granulométries. Le temps de broyage de 22 à 24 heures à une vitesse 60 tr/min, permet l’obtention d’une distribution granulométrique moyenne dans un milieu humide d’alcool C2H5OH.  Séchage des poudres : Séchage des poudres dans un four pour un temps de 20 à 40 min à une température de 100°C.  Mélange : Les mélanges de poudres ont été réalisés à l’aide d’une colle pour assurer une bonne homogénéisation des poudres et surtout une bonne répartition des fines particules.  Tamisage : Le mélange broyé est tamisé à travers des tamis avec des mailles de 500 μm, 400 μm ,315 μm, 200 μm, 160 μm, 125 μm ,100 μm, 63 μ m ,50 μm,32 μm. Chapitre I 57 L’opération de tamisage faite par vibration dans un tamiseur , suivant les conditions : une fréquence f =60 Hz et un temps t = (30 ,45) min.