Vie des aciers au manganèse

 Introduction

Les différents travaux traitant la durée de vie des aciers au manganèse, dans le chapitre précédent, ont montré que celle-ci est fortement liée à leur composition chimique et à leurs propriétés surtout de dureté et d’usure. L’acier à 1.2% de carbone et 12% de manganèse (acier Hadfield) a été longuement étudié et s’avère le matériau adapté pour assurer un compromis entre la ductilité et la résistance. La composition chimique et les traitements thermiques sont les principaux paramètres de fabrication de ces derniers qui influent sur la formation de la microstructure et par conséquent sur les propriétés de service. Un acier fortement allié au manganèse (Hadfield) élaboré par l’Algérienne de Fonderie de Tiaret (ALFET) servira de matériau de référence pour réaliser cette étude. Ce dernier a été modifié par certains éléments (Cr, Ni et Nb) et traité thermiquement pour évaluer leurs effets sur la formation de la microstructure et la variation des propriétés d’utilisation. Un autre acier avec de faibles teneurs en manganèse et en carbone (0.9%C et 10%Mn) comparativement à l’acier produit à ALFET et allié au Cr, Ni, Mo, V et Nb a été aussi étudié. Les procédures d’élaboration et les techniques de caractérisation ont été réalisées au niveau des différentes institutions qui ont apporté leur aide et leur soutien pour la réalisation de cette thèse, à savoir : – Laboratoire de Fonderie de l’université de BADJI Mokhtar-Annaba ; – Algérienne des Fonderies de Tiaret (ALFET) ; – Algérienne des Fonderies d’El-Harrach (ALFEL) ; – Laboratoire de Génie des Procédés de l’université d’AMAR Thelidji-Laghouat ; – Laboratoire de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines et de la Métallurgie-Annaba ; – Unité de Recherche en Matériaux Avancés (URMA)-Annaba ; – Unité de Recherche Appliquée en Sidérurgie Métallurgique (URASM)-Annaba ; – Université des Sciences et de la Technologie-Oran ; – Université de Mohamed Khider- Biskra ; – Université de Abderrahmen Mira- Bedjaia ; – Faculté de mécanique de l’université de Technique de Yeldiz- Istanbul. Matériaux et techniques expérimentales 39 II.2. Matériaux L’étude porte sur deux nuances d’aciers alliés au manganèse, acier à moyenne teneur en manganèse et en carbone et acier Hadfield, aux compositions chimiques un peu améliorées par rapport aux nuances industrielles, c’est-à-dire avec inoculation afin d’étudier l’influence des éléments ajoutés sur le changement microstructural et les propriétés d’exploitation. L’objectif premier du choix des compositions chimiques utilisées est de valoriser le produit algérien tout en gardant un coût de production rentable pour l’économie nationale. Dans notre étude, deux types d’aciers ont été expérimentés. L’un concerne l’acier Hadfield et l’autre un acier dont les teneurs en manganèse et en carbone sont relativement faibles comparativement au premier acier. La diminution de la teneur en ces deux éléments (carbone et manganèse) dans le second acier a pour objectif de favoriser la formation de la martensite en quantité relativement plus grande après traitements thermiques. Ainsi, la diminution de la teneur en carbone a pour effet de minimiser la formation de réseaux de carbures fragilisants. La présence de ces derniers dans la microstructure de l’acier conduit à une baisse de ductilité. Les éléments gammagènes et non carburigènes ont été ajoutés en faibles teneurs dans le but de préserver une certaine quantité d’austénite résiduelle après traitement thermique. Parmi ces éléments, le nickel peut être bien indiqué mais à une teneur inférieure à 2%. Tandis que les éléments carburigènes tels que le chrome, le molybdène, le niobium et le vanadium sont ajoutés en faibles quantités (<3% pour le chrome et <1% pour les autres éléments) afin de favoriser une précipitation secondaire et une transformation martensitique à l’état traité thermiquement et par conséquent une amélioration des propriétés d’usure.

Elaboration des échantillons

Les échantillons ont été élaborés dans un environnement industriel au niveau de l’Algérienne des Fonderies de Tiaret (ALFET). Les alliages sélectionnés ont été fondus dans un four électrique à arc de capacité de 6 tonnes avec différentes teneurs en carbone et en manganèse. Deux types d’acier ont été élaborés dans le but de notre étude, l’un est l’acier Hadfield (12%Mn et 1.2%C) produit par ALFET et un autre acier de teneurs en manganèse et en carbone relativement plus faibles (10.54%Mn et 0.93%C) et alliés à différents éléments chimiques (Cr, Mo, Nb, Ni et V) dans le but d’étudier les variations microstructurales et de résistance qui pourraient s’opérer. Les éléments ont été ajoutés sous forme de ferro-alliages (FeCr, FeNi, FeV, FeMo et FeNb) en faibles quantités. Ces ferro-alliages ont été bien broyés dans un concasseur de laboratoire à plateaux excentriques. Les poudres ultrafines (de ferro- Matériaux et techniques expérimentales 40 alliages) obtenues après broyage ont été ajoutées dans une louche préchauffée préalablement après la fusion complète du métal. Pour la réussite de nos expériences, plusieurs paramètres doivent être pris en considération, notamment, les quantités de ferro-alliages à ajouter, la perte au feu de chaque élément et les masses des éprouvettes à couler, car une maitrise du lit de fusion (bilan de charge) est indispensable. Le lit de fusion des échantillons élaborés est calculé comme suit : – Masse du métal dans la louche Nous avons utilisé une louche de diamètre de 22 cm. La masse du métal (mm) est calculée d’après la relation 1. 𝑚𝑚 = 𝜌. 𝑉𝑚 (1) Où : Vm : volume du métal dans la louche et ρ : masse volumique du métal. Dans notre cas, la louche a été remplie aux deux tiers pour éviter le débordement de métal lors de son remplissage. Le volume du métal versé dans la louche est calculé d’après la relation 2. 𝑉𝑚 = 4 3 . 𝜋. 𝑅 3 2 (2) La masse volumique de l’acier Hadfield est de : ρ = 7,62 g/cm3 D’après la relation 1, la masse du métal est de : mm = 35044 g – Masse de l’élément à ajouter La quantité de l’élément d’ajout est calculée en tenant compte de sa perte au feu et de son taux dans le ferro-alliage utilisé. Les compositions des ferro-alliages utilisés sont montrées par le tableau II.1. Les éléments d’addition ont été introduits au fond d’une louche comme le montre la figure II.1. Toutes les éprouvettes ont été coulées à une température de 1500°C dans des moules en sable en résine furanique, de forme cylindrique, de 100 mm de longueur et 20 mm de diamètre. La température a été mesurée à l’aide d’une canne pyrométrique.

Traitements thermiques

Après la solidification, les éprouvettes ont été découpées en plusieurs échantillons de 10mm de longueur et 20mm de diamètre pour les traitements thermiques. Les traitements thermiques sont principalement appliqués dans le but d’améliorer les propriétés de service des aciers étudiés. Les mécanismes de durcissement recherchés après les traitements thermiques pour notre étude sont la formation de la martensite et/ou le durcissement secondaire. Le durcissement par précipitation est réussi lorsque les carbures précipités sont fins et dispersés d’une manière homogenèses dans la matrice. Ceci reste difficile à obtenir à l’état brut de coulée. Dans le but d’optimiser l’effet des éléments ajoutés (chrome, molybdène, nickel, niobium et vanadium) sur les changements microstructuraux et d’obtenir une microstructure et des propriétés de services adéquates, deux traitements thermiques ont été appliqués. Ces derniers ont été réalisé dans un four à moufle de type Nabertherm dont la température peut atteindre 1200°C. Le premier traitement consiste à un chauffage des échantillons jusqu’à une température de 600°C avec un maintien d’une heure (1h) puis une mise en solution à une température de 1020°C pendant une heure (1h) et une autre mise en solution à une température de 1050°C avec un maintien d’une heure (1h) suivi d’une trempe à l’eau. Ce traitement a été réalisé sous une vitesse de chauffe stable et égale à 6°C/min. Le deuxième traitement a été effectué dans les mêmes conditions mais avec des températures de mise en solution de 1080°C et 1100°C. Ainsi, la montée en température pour ce régime a été fixée à 12°C/min. Les deux cycles de traitements thermiques appliqués sont montrés par la figure II.2