Soutenance mémoire
Il y a quelques quarante ans, la métallurgie de précision se contentait de fixer les compositions des alliages au niveau du dixième, ou tout au plus du centième pour cent. Aujourd’hui le niveau de la partie par million (ppm) « soit 10-4%» est devenu pour le métallurgiste presque trivial et l’industrie des composants électroniques au silicium ou au germanium emploie couramment la notion de partie par milliard, c’est-à-dire 10-7% ou un milligramme dans une tonne. Cette évolution est l’aboutissement de la prise de conscience par les métallurgistes de l’influence considérable que pouvaient avoir certains éléments contenus à l’état de traces sur les propriétés fondamentales des métaux. Ces impuretés résiduelles ou « oligoéléments » sont désormais un souci constant de la métallurgie de précision à tel titre que la préparation de métaux de haute pureté est devenue l’un des sujets majeurs de la recherche métallurgique. Il serait long et fastidieux d’énumérer dans notre travail les impuretés reconnues pour avoir un effet nocif ou bénéfique sur telle ou telle propriété d’un matériau. Cette énumération serait d’autant plus délicate qu’une grande confusion règne très souvent au sujet de l’influence réelle d’une impureté donnée. Il n’est qu’à considérer les longues controverses relatives à l’influence de tel ou tel élément sur les propriétés mécaniques, physiques et structurales des métaux.
Le fer de très haute pureté et ses alliages
On appelle « affinage » ou « raffinage » l’ensemble des opérations d’élimination des impuretés résiduelles dans les métaux. Le type d’utilisation du métal détermine le niveau de pureté à atteindre. Dans certains cas, elles permettent de récupérer des constituants métalliques de valeur tels que métaux précieux et métaux rares (par exemple l’or ou l’argent dans les sulfures de cuivre ou de zinc). Les nombreuses méthodes de purification peuvent être classées selon le niveau de pureté atteint ou selon la nature des méthodes utilisées. Actuellement, certaines applications nécessitent des métaux et des alliages de haute pureté.
Elaboration du fer de très haute pureté
Le fer électrolytique est un fer d’origine japonaise, ayant subi une étape supplémentaire de purification par fusion de zone sous atmosphère d’argon, en nacelle d’argent horizontale refroidies.
Le fer de très haute pureté est élaboré à partir d’un fer électrolytique, et suivant deux étapes [Duransaud et al.1969] et [le Coze J. et al.1994] :
● Une première étape consiste à fabriquer une éponge de fer pur qui a subiensuite les transformations suivantes :
Une phase de chloruration avec :
✓ La chloruration gazeuse du fer électrolytique industriel.
✓ La mise en solution dans l’acide chlorhydrique dilué du chlorure impur obtenu.
Une phase de purification par :
✓ Extraction de l’acétate de butyle puis de l’eau.
✓ Séparation et élimination des chlorures des impuretés du fer de départ.
Une phase de réduction par :
✓ Précipitation de l’hydroxyde ferrique, par l’ammoniaque et lavage de l’hydroxyde par l’eau.
✓ Transformation par chauffage de l’hydroxyde en oxyde ferrique.
✓ Réduction à haute température de l’oxyde ferrique par l’hydrogène.
● La deuxième étape consiste à fondre l’éponge ainsi obtenue afin d’éliminer les teneurs importantes en carbone et en oxygène résiduelle. Celle-ci est réalisée par la technique de chauffage par fusion inductive que nous avons cité plus haut.
A l’issue du processus d’élaboration, les masses obtenues peuvent atteindre jusqu’à 4000g de forme oblongue , à microstructure « brute de solidification », correspondant à une taille de grains de plusieurs centimètres de long .
Dopage en Titane :
Après élaboration du fer de très haute pureté, le lingot est refondu sous Argon N55 ultra pur par induction avec élément d’alliage. Les teneurs en Titane sont déterminées suivant les travaux réalisés par [R. E Houcket al. (1975)] ainsi que [H. Katoh et al. (1985)]. Ces études montrent la relation entre les valeurs du coefficient d’anisotropie et les teneurs en Titane en solution solide dans le fer pur. D’après ces études la teneur de 0,008% Ti en poids représente une valeur maximale du coefficient d’anisotropie pour l’élément d’alliage.
Mise en forme :
Pour raison de commodité due à la configuration géométrique du lingot « brut de coulée», et pour réduire la taille des grains, celui-ci est ensuite pilonné à chaud entre 900°C et 1000°C, afin d’obtenir un parallélépipède de 110mm de longueur et de section carrée de 10mm. Le barreau est en suite fraisé et décapé chimiquement afin d’éviter toute trace de pollution .
Contrôle des teneurs
Il faut contrôler les compositions chimiques et l’homogénéité des lingots de toutes les nuances en raison des faibles teneurs ajoutées au matériau de base. Mise à part les différentes techniques d’analyse mises en œuvre ultérieurement pour contrôler la haute pureté du fer, il faut procéder à deux analyses complémentaires à l’issue des différentes manipulations effectuées :
❖ L’analyse par frottement intérieur au GEMPPM afin de déterminer les teneurs en carbone et en azote.[Robison 1961]
❖ La méthode d’étincelage, pour contrôler les valeurs de dopage en Titane.
Méthodes d’analyse
La mise au point de méthodes suffisamment sensibles et spécifiques reste doncune nécessité absolue, à la fois pour suivre la progression d’un traitement de purification, et pour déterminer la pureté finale atteinte. La sensibilité souhaitable est de l’ordre de 10⁻⁸ (un centième de partie par million). Parmi les méthodes d’analyse présentant une sensibilité suffisante pour être applicables aux métaux purs, on peut citer :
– Méthodes photométriques : telles que la colorimétrie sur solutionsou la photométrie de la flamme (en particulier la photométrie d’absorption atomique).
– Méthodes électrochimiques : par exemple la polarographie.
– Spectrométrie d’émission.
– Spectrométrie de masse.
– Analyse par radioactivation.
Parmi ces méthodes, les deux dernières sont adaptées aux exigences des dosages sur les métaux très purs.
➤ Spectrométrie de masse : Elle consiste à faire jaillir, sous vide une étincelle entre deux électrodes du métal à analyser. Les ions ainsi formés sont accélérés et envoyés dans un spectrographe de masse qui fournit le spectre des isotopes présents dans l’échantillon. La mesure de l’intensité des différentes raies permet, avec un étalonnage préalable, de déterminer la concentration des impuretés présentes.
➤ Analyse par radioactivation : Elle consiste à transformer l’élément à doser en un isotope radioactif que l’on identifie par la mesure de sa période de désintégration. Ces isotopes radioactifs sont créés par irradiation du métal ultra- pur dans un flux de particules élémentaires, le plus souvent des neutrons, d’où le nom d’analyse par activation neutronique .
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Table des matières
INTODUCTION
CHAPITRE I : PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. Le fer de très haute pureté et ses alliages
I.1.1.Introduction
I.1.2.Elaboration du fer de très haute pureté
I.1.3. Dopage en Titane
I.1.4. Mise en forme
I.1.5. Contrôle des teneurs
I.1.6. Méthodes d’analyse
I.2. L’alliage fer-titane de très haute pureté
I.2.1. Phase en présence dans le diagramme Fe-Ti
I.2.2. Les systèmes Fe-Ti / Fe-Ti-C / Fe-Ti-N et Fe-Ti-CN
I.2.3. Influence du Titane en solution solide
I.2.4. Propriétés particulières et domaines d’application des alliages fertitane
I.2.5. Défauts dans les alliages Fe-Ti de très haute pureté
I.3. Les traitements thermochimiques
I.3.1. Procédés de nitruration
I.3.1.1. Nitrocarburation en bains de sels
I.3.1.2. Nitruration gazeuse
I.3.1.3. Nitruration ionique
I.3.2. Principe général du traitement de nitruration
I.3.3 Couche de combinaison ou couche blanche
I.3.4. Couche de diffusion
I.3.5. Mécanisme de durcissement de la couche de diffusion
I.4. Tribologie et usure abrasive
I.4.1. Les surfaces
I.4.2. Le concept de troisième corps
I.4.3. Tribologie
I.4.3.1. Mécanismes de dégradation des surfaces
I.4.3.2. Principaux modes d’usure des surfaces
I.4.3.2.1. Usure abrasive
I.4.3.2.1.1. Description et modèle
I.4.3.2.1.2. Quelques variantes
I.4.3.2.1.3. Paramètres de l’usure abrasive
I.4.3.2.1.4. Usure abrasive et ingénierie des surfaces
I.4.3.2.1.5. Comportement des matériaux métalliques vis-à-vis de l’abrasion
a) Influence de la dureté du matériau
b) Influence de la dureté de l’abrasif
c) Influence de la nature et de l’angle d’impact des particules
d) Influence de la microstructure
e) Influence de la vitesse
f) Influence de l’ambiance
I.5. Corrosion
I.5.1. Définition
I.5.2. Terminologie de la corrosion
I.5.3. Cinétique électrochimique
I.5.4. Surtension ou polarisation
I.5.5. Cinétique d’un processus électrochimique simple
I.5.5.1. Cinétique homogène
I.5.5.2. Elément de cinétique électrochimique
I.5.5.3. Relation courant-tension
I.5.6. Les types de corrosion
I.5.6.1. Corrosion uniforme
I.5.6.2. Corrosion galvanique
I.5.6.3. Corrosion caverneuse
I.5.6.4. Corrosion par piqures
I.5.6.5. Corrosion intergranulaire
I.5.6.6. Corrosion sous-contrainte
I.5.7. Les facteurs qui influencent la corrosion
I.5.7.1. Facteurs lies au milieu
I.5.7.1.1. Influence de l’oxygène
I.5.7.1.2. Influence du PH
I.5.7.1.3. Salinité
I.5.7.1.4. Température
I.5.7.2. Facteurs métallurgiques
CHAPITRE II : PARTIE EXPERIMENTALE
II.1. Matériaux étudiés
II.1.1. Le traitement thermique
II.1.2. Le traitement therochimique La nitrocarburation
II.2. Technique de caractérisation et essais expérimentaux
II.2.1. Analyse métallographique
II.2.2. Microscope Electronique à Balayage
II.2.3. Diffraction rasante des rayons X
II.2.4. Mesure de la rugosité
II.2.5. Profil de microdureté
II.2.6. Test d’usure par abrasion
II.2.7. Essais électrochimiques
CHAPITRE III : PARTIE RESULTATS ET DISCUSSION
III.1. Caractérisation de l’état brut
III.2. Traitement thermique préalable (recuit de normalisation
III. 3.Traitement de nitrocarburation
III.3.1 Microstructure des couches nitrocarburées
III.3.2. Profils de microdureté et cinétique de croissance des couches nitrocarburées
III.3.3. Caractérisation des phases par (D.R.X)
III. 4 Comportement tribologique des couches nitrocarburées
III. 4.1. Usure par abrasion et mécanisme d’usure
III.4.2 Etude de l’état de surface par profilométrie (Rugosité)
III.5 Comportement électrochimique des substrats et des couches nitrocarburées
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXE
