Soutenance mémoire
Les fontes au chrome constituent une classe spéciale de matériaux surtout pour les propriétés d’usure qui les caractérisent. Ces fontes sont utilisées pour la fabrication des pièces travaillant à l’usure dans le domaine minier, sidérurgique, cimentier, automobile…etc. Leurs propriétés de travailler à l’usure sont principalement liées à la présence de carbures de chrome durs supportés par une matrice austénitique ou martensitique selon le traitement thermique adopté. En cours de service, la matrice et l’eutectique carburique, dont les propriétés d’usure sont trop espacées, ne peuvent pas résister de la même manière aux multiples sollicitations abrasives et de frottement [1,2]. Plusieurs recherches effectuées sur l’effet des éléments d’alliage ont été menées en vue d’améliorer le comportement en cours de service de ces fontes [3-8]. En fonction de la teneur en chrome, ces fontes constituent le siège de la formation de plusieurs types de carbures de chrome tel que M3C, M7C3 et M23C6 [4, 9 et10].
L’amélioration des propriétés à l’usure des fontes à haute teneur en chrome est un domaine qui reste ouvert pour la recherche scientifique. Ce dernier s’est traduit par plusieurs efforts [12]. Certains [13] ont abordé la qualité des fontes hypoeutectiques moyennant l’addition des éléments carburigènes favorisant la formation de carbures interstitiels pour agir sur les propriétés de la matrice. D’autres [14] se sont préoccupés des fontes eutectiques où le souci consiste à agir sur la dimension et la forme des carbures eutectiques. Les fontes hyper eutectiques ont par contre été prises en considération du point de vue dimension des carbures primaires où l’addition des éléments carburigènes vise la formation de carbures du type MC qui empêchent l’évolution dimensionnelle des carbures M7C3 [15-16]. Dans ces fontes, les carbures M7C3 se développent en forme d’aiguilles très défavorables pour le comportement en cours d’usure par frottement. Dans les pays où l’approvisionnement en ferro-alliages pose un problème économique, l’intérêt s’est porté sur l’utilisation des fontes ordinaire où l’addition des terres rares constitue le compromis à satisfaire [17].
RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
Fontes alliées
Les fontes alliées sont caractérisées par des propriétés qui sont différentes des fontes ordinaires. Elles constituent à elles seules une classe distincte, celle des fontes spéciales. Ce type de fontes est obtenu à partir des éléments de base des fontes courantes tel que carbone, silicium et manganèse auxquelles des éléments d’alliage sont ajoutés (nickel, chrome, molybdène). La somme des teneurs de ces éléments dépassant 3%. Les fontes spéciales sont obtenues par des fonderies spécialisées dotées de fours électriques qui permettent un contrôle précis de la température et de la composition. Les fontes spéciales sont trop demandées sur le marché parce qu’elles assurent des performances nettement supérieures à celles des fontes courantes pour des applications qui mettent en jeux des conditions d’utilisation sévères.
Fontes utilisées dans le domaine de températures élevées
Parmi les domaines d’exploitation des fontes, il existe ceux qui mettent en jeu une température élevée. Les pièces produites à partir de ces fontes doivent remplir trois exigences principales :
– Résister à la déformation et à la rupture, sous les charges qu’elles subissent en service, à la température la plus élevée à laquelle elles se trouvent exposées dans l’application particulière considérée.
– Résister à l’oxydation provoquée par l’atmosphère ambiante et à la température de service.
– Résister au gonflement, être stables du point de vue structural et surtout ne subissant pas de transformation de phase dans le domaine de température d’utilisation.
Fontes au nickel
Les fontes au nickel sont destinées à être utilisées aux températures élevées et peuvent être employées de façon efficace à des températures de service comprises entre 400 et 820°C. Aux températures supérieures à 600°C, la résistance à l’oxydation des fontes austénitiques est supérieure à celle des fontes non alliées ou faiblement alliées. Les fontes austénitiques à graphite lamellaire sont couramment utilisées pour des applications en présence des vapeurs humides. D’autres types de fontes, avec une teneur en chrome variant entre 3 et 6%, présentent grâce au chrome une résistance élevée au gonflement et à l’oxydation à chaud, pour des températures de vapeur d’eau allant jusqu’à 600°C [1,2].
Les applications qui exigent une résistance mécanique plus élevée aux hautes températures nécessitent l’utilisation de fontes austénitiques à graphite sphéroïdal. Ces fontes ont donné des résultats satisfaisants dans leurs domaines d’application. Les fontes austénitiques sont métallurgiquement stables dans tout leur domaine de température utile. Du fait qu’il n’y a pas de transformation de phase, il n’y a non plus pas de discontinuité ni d’anomalies dans la dilatation thermique, lors du chauffage, et dans la contraction thermique, lors du refroidissement. En conséquence, ces fontes ne présentent qu’une faible tendance à se gauchir, à se déformer, à se fissurer ou à gonfler au cours des cycles thermiques. Il existe plusieurs nuances de fontes austénitiques à graphite sphéroïdal. Certaines contiennent du chrome et d’autres de forte teneur en silicium. Elles assurent une bonne résistance à l’oxydation comme elles revêtent des caractéristiques mécaniques convenables à des températures comprises entre la température ambiante et 750°C.
Fontes à forte teneur en silicium
Les fontes destinées pour des applications à haute température ont la teneur en silicium qui varie entre 4 et 7%. Cette teneur est suffisamment nécessaire pour réduire la vitesse d’oxydation des fontes aux températures élevées. Le silicium contribue à la formation d’une couche d’oxyde compacte et adhérente. Ces fontes peuvent être à graphite lamellaire ou sphéroïdal. Toute modification de la teneur en silicium correspond à une modification de la composition de la couche d’oxyde qui passe d’un oxyde de fer à un silicate de fer. Ces oxydes opposent une résistance élevée au transfert des atomes d’oxygène de la surface vers l’intérieure du métal et aussi à la diffusion des atomes du métal en direction de la surface vers l’extérieur. De ce fait, la vitesse d’oxydation diminue lorsque la teneur en silicium augmente. Le silicium entre en solution solide dans la ferrite et la durcit. Les pourcentages élevés de silicium réduisent la capacité d’une fonte à supporter les chocs mécaniques [1,2]. Par ailleurs, le silicium élève la température à laquelle la ferrite se transforme en austénite. En conséquence, il élargit le domaine de températures utile dans lequel on peut employer ces fontes, qu’elles soient à graphite lamellaire ou à graphite sphéroïdal.
La fonte à graphite lamellaire à haute teneur en silicium (4 à 7%), connue sous le nom de « silal » a le graphite du type D (graphite inter-dendritique de suffusion) et sa matrice est constituée de ferrite. Cette fonte convient pour les applications à haute température de l’ordre de 900°C. Elle est relativement fragile comme elle est usinable et présente une résistance élevée à l’oxydation et au gonflement. Ce type de fonte est relativement fragile à la température ambiante mais, aux températures supérieures à 260°C, sa résistance au choc est supérieure à celle d’une fonte grise non alliée. Les pièces en fonte à forte teneur en silicium exigent une manutention spéciale à la température ambiante et ne doivent pas être exposées à des chocs thermiques importants, en raison de leur fragilité aux températures inférieures à 260°C. Ces fontes sont utilisées pour des pièces de fours ou de foyers mécaniques, becs de brûleurs ou plateaux de traitement thermique.
Les fontes à graphite sphéroïdal à forte teneur en silicium sont caractérisées par une résistance mécanique et une ductilité supérieures à celles des fontes à graphite lamellaire. Cette caractéristique les rend aptes à être utilisées dans des conditions rigoureuses et le caractère discontinu de la répartition du graphite ralentit l’oxydation interne. La présence du silicium en solution solide contribue au durcissement de la ferrite et à l’accroissement des caractéristiques mécaniques de ces fontes surtout dans le domaine de température compris entre 370 et 540°C.
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Table des matières
I. INTRODUCTION
II. RECHERCHE BIBLIORAPHIQUE
II.1. Fontes alliées
II.1.1. Fontes travaillant dans le domaine de températures élevées
II.1.1.1. Fontes au nickel
II.1.1.2. Fontes à forte teneur en silicium
II.1.1.3. Fontes d’aluminium
II.1.1.4. Fontes blanches à forte teneur en chrome
II.1.2. Fontes utilisées en milieux abrasifs
II.1.2.1. Fontes blanches au nickel – chrome
II.1.2.2. Fontes blanches à forte teneur en chrome
II.1.2.3. Fontes blanches au chrome – molybdène
II.2. Usure
II.2.1. Généralités
II.2.2. Différents types d’usures
II.3. Description des différentes phases microstructurales des fontes spéciales
II.3.1. Matrices
II.3.2. Carbures
II.4. Effet des éléments d’alliages
II.5. Solidification des fontes au chrome
II.6. Etat de l’art
III. TECHNIQUES EXPERIMENTALES
III.1. Coulée des échantillons
III.2. Analyse chimique
III.3. Métallographie
III.4. Traitement thermique
III.5. Microdureté
III.6. DRX
III.7. MEB
III.8. Usure
III.8.1. Usure par abrasion
III.8.2. Usure par frottement
IV. RESULTATS ET DISCUSSIONS
V. CONCLUSION
VI. REFERENCES BIBLIORAPHIQUES
