1995 endommagement abrasion (1)

RAPPORT DE SYNTHESE

ENDOMMAGEMENT DES MATERIAUX PAR ABRASION

Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux le 23 octobre 1995 2

SOMMAIRE

page INTRODUCTION 3

Chapitre 1 : QU'EST CE QUE L'USURE?

1 - Analyse tribologique de l'usure 4

2 - Classification schématique des types d'usure 6

3 - L'usure par abrasion 9

1 - Abrasion sous très fortes contraintes 10 2 - Abrasion sous fortes contraintes 11 3 - Abrasion sous contraintes faibles ou érosion 12

Chapitre 2 : LES MECANISMES DE L'ENDOMMAGEMENT PAR IMPACT DE PARTICULES

1 - Généralités sur l'érosion 13

2 - Les différentes approches de l'érosion par impact de particules 13

2.1 - Approche mécanique 14 2.2 - Approche métallurgique 20 2.3 - Approche thermique 20

3 - Loi généralisée de l'usure par érosion 22

4 - Effets des différents paramètres 24

Chapitre 3 : LES MATERIAUX POUR COMBATTRE L'ABRASION

1 - Les alliages métalliques ferreux ou non ferreux 28

2 - Les céramiques techniques 44 2.1 - Les céramiques monolithiques 44 2.2 - Les céramiques mixtes 50 2.3 - Les revêtements céramiques 51

3 - Les matériaux de coupe 55

4 - Les matériaux composites 58

5 - Les polymères 64

CONCLUSIONS 68

BIBLIOGRAPHIE 69

ANNEXES 71 Caractéristiques de matériaux issues de la base de données CMS


INTRODUCTION

Le phénomène d'usure est une caractéristique humaine qui nous est familière à tous. La nature, et par de là les hommes, voire leur pensées, sont soumis à l'usure plus ou moins prononcée. C'est une constatation douloureuse et quotidienne. Cependant, si l'on veut bien chercher quelque chose de positif à ce phénomène, on peut dire qu'il permet un renouvellement. Cette joie est cependant troublée par l'impact de l'usure sur les installations industrielles et d'autre part par les pertes économiques immenses liées au phénomène d'usure qui représentent environ 4 à 5 % du PNB des états industriels.

Aujourd'hui, de ce fait, la compétitivité des machines et produits ne se juge plus sur leurs seules performances techniques mais aussi sur leur fiabilité et longévité. C'est un atout incomparable que de savoir ce qu'il faut faire pour que les pièces ne s'usent point, ne grippent pas, résistent mieux à la corrosion, à la fatigue. La maîtrise de l'usure et du frottement apparaît donc comme l'une des actions prioritaires dans la conception de nouveaux produits sans oublier qu'il faut très souvent prendre en compte d'autres contraintes physiques ou chimiques en composant avec des exigences contradictoires comme la dureté et la résilience ou l'inoxydabilité. C'est dans le cadre de notre action de soutien aux entreprises que prend place cette étude dont les objectifs sont d'acquérir une meilleure compréhension des mécanismes de base qui régissent l'abrasion sous faibles contraintes qui représente l'une des formes d'usure prédominantes du monde industriel et d'en tirer les enseignements nécessaires en ce qui concerne les solutions à apporter pour lutter contre l'endommagement des matériaux par l'abrasion d'une manière générale.


CHAPITRE 1

QU'EST-CE QUE L'USURE? 1. ANALYSE TRIBOLOGIQUE DE L'USURE L'usure constitue un phénomène complexe, souvent mal perçu et la connaissance du comportement tribologique des matériaux est une donnée essentielle pour la durée de vie et l'efficacité de fonctionnement des équipements. La connaissance du matériau envisagé mais aussi de son environnement et des sollicitations auxquelles il est soumis conduit à la définition d'un système tribologique, qui par analyse systématique doit fournir des solutions. Le système tribologique : Comme indiqué sur la figure N° 1, il se compose : - du solide principal, - du corps antagoniste, - de la frontière interfaciale, - de l'environnement (atmosphère, lubrifiant, phénomènes thermiques).

Fig. 1 Dans ce système, agissent différents mécanismes que nous pouvons caractériser comme étant : - l'adhésion, - l'abrasion, - l'érosion, - la réaction tribochimique, - la fatigue. Dans la majeure partie des systèmes d'usure, ce n'est pas un mécanisme unique qui est en cause mais presque toujours une combinaison de plusieurs mécanismes. Ces mécanismes se manifestent par des phénomènes de dégradation superficielle caractéristiques comme:


- transfert de matière (adhésion), - ondes, sillons, rainures (abrasion), - piqûres (corrosion), - dépôts de réactifs (réaction tribochimique), - oxydation, - égrènements, fractures, fissures(fatigue). L'usure n'est pas une propriété intrinsèque du matériau, mais une résultante des conditions d'applications du système tribologique. En fonction de la structure d'un système, le même matériau peut occasionner soit une durée de vie très longue, soit une dégradation très rapide d'une pièce. Ainsi le développement de matériaux à haute résistance à l'usure ne peut se faire que pour un système déterminé avec une connaissance exacte des mécanismes de dégradation et des variables significatives qui gouvernent l'usure. - la vitesse relative du mouvement V, - la longueur de déplacement L, - la masse des particules M, - la dureté du matériau H, - la dureté de l'abrasif (ou du corps antagoniste) Ha, - la force de contact F, - l'angle de contact α, - l'acuité de l'abrasif (ou du corps antagoniste) λ, - le coefficient de friction fo, - le coefficient d'adhérence : γ, défini par la relation γ = γad / H.Rq dans laquelle γad est l'énergie d'adhérence des corps en contact (J/m2), Rq, caractérise la rugosité quadratique du corps principal. - le coefficient d'activation : Q*= Q/RT T est la température de contact (K), R est la constante universelle des gaz parfaits (J/Kmole), Q est l'énergie d'activation du processus tribochimique (J/mole). - le coefficient de déformation "tribo-oligocyclique" de la surface ε*=ε p/ εr ε p est la déformation microplastique de la surface lors d'un cycle de mise en charge ε r est la déformation plastique totale à la rupture du matériau Autres critères de choix Les phénomènes d'usures sont complexes, ce qui ne simplifie pas les critères de choix du matériau.Par ailleurs, d'autres propriétés d'usage ont également leur importance pour ce choix, comme par exemple: - l'aptitude au soudage, - l'aptitude au formage à chaud, - l'aptitude au formage à froid, - l'usinabilité, - la résistance aux chocs (ténacité), Le choix du matériau le plus approprié se fera en intégrant le coût à l'ensemble des propriétés d'usage précédemment évoquées. 2. CLASSIFICATION SCHEMATIQUE DES TYPES D'USURE


La résistance à l'usure est un facteur essentiel, non seulement lorsque les conditions d'emploi sont très sévères, mais également lorsque pour des conditions plus classiques, une pièce risque de ne pas atteindre la durée prévue en service. Les mécanismes de l'usure sont extrêmement complexes et le choix d'un matériau pour une application donnée dépend du type d'usure auquel la pièce est soumise et du milieu environnant. Ces types d'usure peuvent se classer schématiquement de la manière suivante. 1. L'USURE PAR ADHESION GRIPPAGE Sous l'effet des hautes températures, des hautes pressions, et des déformations engendrées au contact des aspérités des surfaces frottantes, (en frottement sec ou lors d'une rupture locale d'un film de lubrifiant), les matériaux constituant ces dernières se trouvent dans des conditions idéales pour engendrer tous les alliages ou composés qui sont susceptibles de se former : c'est la soudure par adhésion. Pour que le mouvement se poursuive, il faut: - ou bien cisailler les jonctions ainsi formées, ce qui n'entraîne pratiquement pas d'usure, - ou bien si les jonctions sont trop solides, déchirer le corps le plus tendre: il y a transport sur le

corps de plus dur de parcelles du corps le plus tendre. A la limite, lorsque la densité de micro-jonctions dépasse une valeur critique, il y a adhésion globale sur une macro-aire et blocage du mécanisme par grippage. • En règle générale, l'usure par grippage est reconnaissable au fait que le matériau de l'une des

pièces en contact est soudé sur la surface antagoniste et ne peut s'en détacher. • L'évolution des surfaces du couple de frottement, sous l'effet des transformations physico-

chimiques, peut entraîner la destruction des surfaces par adhésion; par exemple, enrichissement en cuivre de la surface d'un palier en bronze, puis transport par adhésion de ce manteau de cuivre sur l'axe antagoniste en acier.

2. L'USURE PAR PITTING Lorsqu'un curseur passe cycliquement au droit du même point d'une piste, les cisaillements maximaux profonds provoquent, par accumulation de micro-atteintes du domaine plastique, un phénomène de fatigue avec apparition de fractures en sous couche, tendant à isoler les couches superficielles. Les compressions et tensions alternées à chaque passage du curseur peuvent alors découper et isoler des fragments de ces couches superficielles, les lignes de fractures se développant préférentiellement sur des hétérogénéités ou le plus généralement dans les zones de moindre résistance des matériaux. Les fragments ainsi isolés sont enfin éliminés par les cisaillements de surface, c'est le phénomène de fatigue de surface appelé "pitting". 3. L'USURE PAR CORROSION DE CONTACT (POUDRE ROUGE) Cette forme d'usure apparaît lorsque deux surfaces en contact sous charge subissent des microglissements de quelques centaines de microns au maximum et des efforts superficiels de cisaillement, le tout avec de rapides alternances : il y a d'abord émission de débris puis ces derniers sont broyés dans l'aire de contact où ils subissent des écrouissages, des transformations physico-chimiques telles que l'oxydation jusqu'à constituer un véritable abrasif; enfin la dégradation de surface s'autoaccélère. Le phénomène se caractérise par une coloration des surfaces frottantes et la présence abondante de POUDRE rouge ou noire, dans le cas où l'une au moins des deux pièces en contact est faite d'un alliage ferreux .


4. L'USURE PAR REACTIVITE VIS A VIS DE L'AMBIANCE L'exemple le plus fréquent provient de la carapace d'oxyde. Lorsque le labourage dénude certaines zones métalliques, celles-ci, au bout d'un temps plus ou moins long selon la cinétique d'oxydation du matériau reforment le liseré d'oxyde; sa consommation correspond donc bien à une usure du matériau. L'agressivité du milieu et les températures élevées jouent un rôle important dans ce type d'usure. Par exemple, certains additifs extrême pression des lubrifiants (soufre, chlore, etc...) se combinent au métal à la surface, principalement sur les points chauds pour former des sulfures, chlorures, etc... 5. L'USURE PAR FLUAGE Les contraintes de compression sous la moitié avant du curseur en déplacement sur la surface présentent souvent une triaxialité suffisante pour faire fluer le métal sans rupture et par conséquent, entraîner une perte de cote. Par exemple, des engrenages très lourdement chargés en acier cémenté trempé peuvent présenter des déformations "en vagues"caractéristiques d'un fluage sans rupture. 6. L'USURE PAR CAVITATION L'effet de la cavitation se traduit par l'enlèvement de gros débris métalliques aboutissant à la formation de trous. Ce phénomène, dû à l'implosion de bulles de gaz pouvant contenir des particules solides dans le liquide lubrifiant proche de la paroi métallique, comprend trois phases : - le lubrifiant se charge de micro-particules solides qui absorbent les gaz occlus pour former les

germes de la future cavitation. - lors de leur passage dans des zones à basse pression et à température élevée, ces germes solides

croissent et s'enveloppent de bulles de gaz et de vapeur (le gaz est celui que les débris d'usure avaient absorbé, la vapeur provient du lubrifiant).

- lorsque le fluide arrive dans les zones à pression élevée, les bulles sont brutalement écrasées

sous l'effet de la condensation de la vapeur : c'est l'implosion qui peut créer des pressions de plusieurs millions d'atmosphères.

7. L'USURE PAR FRACTURE, EGRENEMENT Lorsqu'un curseur se déplace sur une piste, il provoque, dans cette dernière, tout un réseau de contraintes de tension et de cisaillement susceptible de générer des dégradations superficielles. : - immédiatement à l'arrière du curseur règnent, à la surface de la piste, des contraintes de tension

dont la valeur maximale est t = f.pm (f étant le coefficient de frottement et pm la pression maximale hertzienne).

- toujours en surface, les contraintes superficielles triaxiales de compression, ainsi que les

cisaillements sont maxima sous la moitié avant du curseur. Les premières sont responsables de fractures, les secondes d'égrènement. - les fractures de surtension sont disposées en arc de cercle comme des "écailles de poisson". Par

contre, des fissures d'orientation sensiblement rectilignes, peuvent être dues à des échauffements anormaux (choc thermique).

- les fractures de surtension peuvent être responsables d'écaillages.


- l'égrènement entraîne la formation de trous qui correspondent, même grossièrement, à la macrostructure du métal, en liaison avec les hétérogénéités de résistance au cisaillement.

8. L'USURE PAR CORROSION On appelle "corrosion" le phénomène de destruction d'un métal par action chimique ou électro chimique. Les principales formes de corrosion sont : - la corrosion uniforme : se caractérise par une attaque du métal sur toute sa surface : la rouille

d'un acier de construction immergé dans l'eau, l'oxydation des aciers en température sont des exemples de corrosion uniforme.

- la corrosion par piqûres : se manifeste par des piqûres très fines qui se développent en

profondeur et en largeur dans le métal. Les aciers inoxydables immergés dans l'eau de mer sont typiques de cette forme de corrosion par piqûres.

- la corrosion intergranulaire : localisée comme la corrosion par piqûres, consiste en une

attaque sélective des joints de grains de la structure du métal. Le métal ainsi attaqué prend un aspect terne, perd sa sonorité métallique et devient cassant.

- la corrosion sous tension : se manifeste sur des pièces soumises à des contraintes de surface,

dans un milieu même peu ou pas agressif par des fissures profondes. L'exemple typique est celui de la corrosion des bouilleurs de chaudières par des eaux faiblement alcalines. Ce type de corrosion se rencontre plus particulièrement dans les aciers du type inoxydable ainsi que dans les laitons et alliages légers.

- la corrosion par aération différentielle : se manifeste lorsqu'il se forme dans un appareil une

zone stagnante de liquide ne participant pas à l'agitation et à l'oxygénation du reste de la masse. Il se forme alors une pile : les parties aérées forment une cathode alors que les parties non aérées deviennent anode. Ceci se produit en particulier lorsque le métal est en contact avec un matériau non métallique (joint de caoutchouc, garniture d'une presse étoupe, etc...). La surface du métal présente des gravures de formes très irrégulières faisant penser à une sorte de maladie de la peau.

Les facteurs intervenant dans les phénomènes de corrosion peuvent être classés en quatre groupes : 1. Les facteurs chimiques (concentration du réactif, teneur en oxygène, PH, température...). 2. Les facteurs électrochimiques (différences de potentiel entre les matériaux et l'ambiance, les

couples de matériaux...). 3. Les facteurs métallurgiques ou structuraux (composition du métal ou de l'alliage, procédé

d'élaboration, impuretés, traitements thermiques, écrouissages...). 4. Les facteurs mécaniques (contraintes résiduelles, sollicitations mécaniques, états de surface...) 9. L'USURE PAR ABRASION L'usure par abrasion due à l'endommagement des surfaces par des corps étrangers plus ou moins durs est un phénomène très complexe dans lequel interviennent de nombreux paramètres caractérisant:

- les pièces soumises à l'abrasion (composition chimique, microstructure, caractéristiques mécaniques);

- l'abrasif (taille, dureté, angularité, aptitude à la fragmentation); - les conditions de service (vitesse et angle d'attaque de l'abrasif, contraintes appliquées à la

surface, température, milieu environnant).


3. L'USURE PAR ABRASION L' abrasion est certainement l'un des principaux modes d'usure auxquels l'industrie doit faire face et se rencontre dans les travaux miniers, le terrassement, le traitement des minerais, l'industrie chimique, la céramique, l'agriculture, la fonderie, les industries sidérurgiques, les briquetteries, les centrales énergétiques et bien d'autres industries de base. Le coût annuel de remplacement des pièces soumises à l'usure par abrasion qui représente 50% de l'usure en général, constitue pour beaucoup d'industries une dépense importante estimée à 3 % du PIB français (CETIM INF. N°141). Afin d'établir une méthodologie permettant d'étudier le comportement à l'abrasion des matériaux, on a essayé de classer les types d'usure abrasives en trois grandes catégories se différenciant par les caractéristiques de l'abrasif et les conditions de service. Définition des trois principaux types d'usure par abrasion : Une classification dynamique d'Avery distingue selon le niveau de sollicitation : - l'érosion ou l'abrasion sous faibles contraintes : • faibles contraintes ou faible concentration des contraintes. • chocs accidentels de faibles intensités. - l'abrasion sous fortes contraintes (abrasion au meulage) : • fortes contraintes et forte concentration de contraintes, chocs éventuels d'intensité

limitée (high stress grinding abrasion). - l'abrasion sous très fortes contraintes (gougeage) : • fortes à très fortes contraintes et très forte concentration de contraintes. • chocs éventuels d'intensité élevée (gouging abrasion). Quelquefois, plusieurs types d'abrasion apparaissent ensemble, mais en général il est possible de déterminer le genre dominant. Ce fait est particulièrement important car un matériau peut convenir pour un type d'abrasion et être contre-indiqué pour les autres. De plus, dans de nombreux cas, d'autres facteurs, par exemple des chocs ou la corrosion, peuvent également intervenir en service; c'est ce que nous allons examiner en détail dans les exemples typiques ci-après : 1. ABRASION SOUS TRES FORTES CONTRAINTES OU ABRASION AU GOUGEAGE


L'abrasion au gougeage se produit lorsque des morceaux de roche ou d'autres matières abrasives grossières entaillent la surface soumise à l'usure avec une force suffisante pour arracher des fragments relativement gros des surfaces soumises à l'abrasion. Le mécanisme d'enlèvement du métal est donc semblable à celui que l'on observe lors de l'usinage à l'outil. L'abrasion par gougeage peut se produire à faible vitesse, par exemple lorsque le godet d'une pelle mécanique s'enfonce dans un tas de pierres, ou bien à vitesse élevée, comme dans le cas des marteaux et des barres de broyeurs fonctionnant par choc. L'abrasion au gougeage s'accompagne souvent de chocs sévères, et ceci constitue parfois un facteur décisif dans le choix d'un matériau devant résister à l'abrasion. Applications typiques : - marteaux de broyeurs fonctionnant par chocs, - dents de godets de pelleteuse, - rebords d'écopes de broyeurs à boulets (Fig 2), - lames de scrapers. Fig. 2 : Les rebords d'écopes utilisés dans les broyeurs à boulets sont soumis à une sévère abrasion au gougeage et à des contraintes assez élevées, dues aux boulets de broyage usés et aux morceaux de minerai broyé grossièrement qui se rassemblent au fond de l'écope. Ils subissent aussi fréquemment le choc des boulets neufs qui sont chargés tous les jours dans les broyeurs. En conséquence, une ténacité considérable est nécessaire.


2. ABRASION SOUS FORTES CONTRAINTES OU ABRASION AU MEULAGE L'abrasion au meulage se produit lorsque deux surfaces d'usure frottent l'une contre l'autre avec une force suffisante pour écraser les corps abrasifs présents entre ces surfaces par un phénomène d'attrition. Les contraintes nominales par unité de surface peuvent paraître faibles, mais les contraintes réelles appliquées localement peuvent être très élevées et, dans certains cas, dépasser 200 kg/mm2. Ces taux de contraintes peuvent provoquer l'effritement ou la rupture des micro-constituants fragiles de certains matériaux résistant à l'abrasion. L'abrasion au meulage se rencontre non seulement dans des conditions où le broyage est évident, mais également dans des applications où de la boue et du sable se trouvent inévitablement coincés entre des surfaces portantes, comme par exemple entre les chaînes et les pignons des convoyeurs, les engrenages et autres parties non couvertes du matériel de terrassement. Dans le cas de broyage autogène, le taux d'usure du blindage peut être très différent de celui des broyeurs à barres et à boulets. Les taux d'usure sont relativement faibles mais les surfaces concernées sont importantes. En conséquence, le taux d'usure par tonne de matières traitées peut être élevé et constitue souvent l'une des principales dépenses dans le traitement du minerai. Applications typiques : - blindage de broyeurs à boulets et à barres (Fig. 3), - boulets de broyage pour broyage humide de minerais siliceux, - boulets de broyage pour broyage humide de laitier, - boulets de broyage pour broyage à sec de ciment calciné. Fig. 3 : L'abrasion au meulage est spécifique aux blindages des broyeurs à boulets et aux boulets de broyage. Cette vue de l'aspect intérieur d'un broyeur à boulets d'un diamètre de 3,9 m montre que le blindage et la grille présentent le même genre d'usure. Un blindage a une durée de vie de deux mois à plusieurs années, suivant son profil, sa résistance à l'usure, ses conditions de travail et la nature du matériau broyé. 3. ABRASION SOUS FAIBLES CONTRAINTES OU EROSION


L'érosion résulte du frottement de contact entre des particules abrasives se déplaçant assez librement sur des surfaces soumises à l'usure. Les charges ne sont pas assez élevées pour provoquer le broyage des grains abrasifs et ceux-ci sont en général assez petits pour que les chocs soient négligeables. Dans certains domaines, ce type d'abrasion s'accompagne parfois d'une attaque corrosive, par exemple dans les turbines de pompes utilisées dans l'industrie chimique. Pour résister à l'érosion, on peut utiliser des matériaux relativement fragiles et on choisit fréquemment des fontes blanches perlitiques (non alliées ou faiblement alliées) car le taux d'usure est souvent assez bas pour justifier leur emploi. Néanmoins à présent, l'utilisation de matériaux plus résistants à l'érosion est devenue économique. Applications typiques : - tuyères de sablage, - revêtements intérieurs de projecteurs de sable, - ailettes de couronne mobile de pompes rotatives. Fig. 4 : Ce classificateur à spirales offre un exemple caractéristique d'érosion. La boue sablonneuse est véhiculée vers le haut de l'auge inclinée par les spirales qui tournent lentement. Une érosion se produit sur la face et les bords des sabots d'usure. Ces derniers doivent être remplacés périodiquement, lorsqu'ils sont amincis à une épaisseur d'environ 6mm.


CHAPITRE 2 LES MECANISMES DE L'EROSION PAR IMPACT DE

PARTICULES SOLIDES L'étude bibliographique (Massoud JP) développée dans ce chapitre permet d'aborder les travaux les plus intéressants menés sur ce sujet depuis les années 1950, et les modèles plus ou moins élaborés qui ont été établis. Mais si une meilleure connaissance des mécanismes d'enlèvement de matière a conduit à quelques solutions, la grande diversité des approches et des remèdes proposés montre que le problème reste très ouvert. En outre, cette étude a permis d'isoler et de définir un certain nombre de paramètres prépondérants, ainsi que leur domaine d'existence. 1. GENERALITES SUR L'EROSION 1.1 Définition et exemples C'est la dégradation par perte de poids d'un matériau sous l'impact de particules abrasives véhiculées par un fluide. A moins que le fluide ne soit inerte vis-à-vis du matériau, on devra parler d'érosion-corrosion. Le phénomène peut avoir lieu à température ambiante : on connaît, par exemple, l'action du sable entraîné par le vent sur les rochers. On a constaté que la coiffe en plastique de RADARS embarqués sur les avions de chasse se faisait éroder par les gouttelettes de brouillard ou de pluie. On rencontre des problèmes d'érosion à l'intérieur des conduits de gaz par des particules de métal qui se détachent de la paroi au moment de la mise en forme des canalisations. A partir du moment où l'on se trouve à haute température (au-delà de 600°C) la corrosion et l'oxydation, négligeables à l'ambiante, peuvent jouer un grand rôle, dont on connaît encore mal l'importance. Quelques exemples permettront de fixer les idées. Dans un réacteur d'avion, les aubes de turbines sont corrodées par les gaz de combustion du carburant et dans le même temps des particules de sable sont aspirées par le compresseur et viennent éroder les surfaces. Dans les installations de gazéification de charbon, des gaz chauds (600°C) et corrosifs (SH2, CO, H2...) circulent à des vitesses de l'ordre de 5m/sec et sont chargés de particules abrasives. On assiste aux mêmes dégradations dans les installations de traitement d'ordures ménagères où la combustion de matières plastiques dégage des vapeurs chargées en chlore et en fluor. Cette liste n'est pas limitative, elle permet cependant de mesurer l'importance de ce mode de dégradation. 2. LES DIFFERENTES APPROCHES DE L'EROSION PAR IMPACT DE PARTICULES Malgré des approches différentes, la plupart des auteurs ayant travaillé sur ce sujet s'accordent pour distinguer deux comportements principaux, correspondant à deux types de matériaux, à savoir un comportement ductile typique de la plupart des cibles métalliques et un comportement fragile typique des verres, céramiques et matériaux durs. Nous nous attacherons donc, dans ce chapitre à rappeler les différentes approches, à caractériser ces deux comportements fragiles et ductiles ainsi que les mécanismes d'enlèvement de matière qui leur sont attachés, et à signaler les différents paramètres qui ont été mis en évidence dans de nombreux travaux. Comportement fragile : Le matériau ne présentant pas de domaine plastique, la rupture se produit alors que les déformations sont élastiques (le verre, la fonte, le béton, les céramiques, les polymères thermodurcissables chargés). Comportement ductile : Une déformation plastique permanente, accompagnée généralement d'un durcissement du matériau, suit la déformation élastique (alliages métalliques). 2.1 APPROCHE MECANIQUE


2.1.1 - Comportement purement ductile : Une première théorie proposée en 1958 par FINNIE (1) reposait sur l'hypothèse d'une perte de poids par micro-usinage(tout au moins en ce qui concerne les matériaux ductiles), chaque particule incidente enlevant un copeau de métal par les chocs qu'elles occasionnent. Le problème est alors traité comme suit, (Fig. 5), à partir d'hypothèses sur les forces de contact(supposées constantes), sur la surface de coupe et sur l'apparition d'une zone déformée plastiquement sous la zone d'impact.

Fig. 5 : Schéma d'enlèvement de matière par micro-usinage L'intégration sur le temps de coupe permet alors de donner les équations suivantes de pertes de volume W:. W= m V2. (sin2α - 6 sin2α) si α ≤ K Ψf. K.p. K 6 W= m V2.K(.cos2α) si α ≥ K . Ψf..p. 6 6 m := masse de la particule, V := vitesse de la particule, Ψf:= déformation plastique supposée constante, K := rapport composante verticale / composante horizontale de la force de contact, p := profondeur de l'empreinte. Les taux d'érosion ainsi calculés (Fig. 6), en fonction de l'angle d'incidence des particules sur le matériau, correspondent assez bien aux résultats expérimentaux pour les matériaux ductiles. L'érosion des matériaux ductiles présente un maximum très significatif pour des angles moyens (entre 15 et 30°C).


Fig. 6 : Taux d'érosion en fonction de l'angle d'incidence des particules Cependant, cette théorie était incapable d'expliquer plusieurs aspects importants de l'érosion de ces matériaux ductiles. Par exemple : - l'influence de la vitesse sur le taux d'érosion (t varie comme Vn avec 2<n<3) - l'existence d'une perte de poids sous l'incidence de 90° - l'existence d'un temps d'incubation au tout début d'une expérience d'érosion, temps au terme duquel commence la perte de poids. La compréhension et la modélisation de l'érosion de ce type de matériaux sont particulièrement difficiles car elles font appel à de nombreux mécanismes simultanés qu'il n'est pas toujours possible d'isoler et dont les principaux sont le micro-usinage, la micro-fusion et la déformation plastique, avec effets d'ondes de choc pour des vitesses d'impact élevées. - Le micro-usinage de la surface est souvent considéré comme le mécanisme principal

d'enlèvement de matière. qui a été étudié ci-dessus. - La micro-fusion du matériau sous et autour des impacts (voir paragraphe 2.3).

- La déformation plastique s'apparente à l'extrusion par la formation de bourrelets qui seront ensuite fissurés et éjectés sous la pression des impacts répétés, les phénomènes de fissuration pouvant être accélérés par l'effet de vitesse.

Certains travaux se sont intéressés au durcissement sous-surfaçique et l'on citera BELLMAN et LEVY (2-3) qui ont proposé une théorie expliquant la perte de poids par extrusion et forgeage en montrant que les surfaces érodées de certains matériaux ne sont pas écrouies par l'impact de particules tests classiques de SiC. Dans cette nouvelle façon de voir l'érosion, apparaissent des mots nouveaux tels que plaquettes, cratères, extrusion, forgeage. La Fig. 7. représente ce qui se passe au moment de l'impact d'une particule sur une surface métallique.


Fig. 7 : Schéma expliquant le mécanisme de l'érosion sur un matériau ductile (extruction, forgeage, création d'une couche écrouie sous jacente)

Les plaquettes sont formées par extrusion. La Fig. 8 est un schéma expliquant leur mode de création : une couche de cuivre continue de 3μm d'épaisseur a été disposée avant l'impact. Cette couche de cuivre reste visible dans le fond du cratère, après le choc. Si la particule avait agi par micro-usinage cette couche aurait été arrachée.

Fig. 8 : Formation de plaquettes par extrusion sous impact d'une particule Tout ceci montre l'extrême ductilité d'une surface fortement déformée et BELLMAN et LEVY (2-3) supposent que l'énergie de la particule peut se répartir en : (a) Une énergie de déformation qui induit un champ de contrainte dans le métal à partir de la

surface (b) Une énergie thermique conséquence du frottement mécanique et de la déformation par

cisaillement adiabatique entraîne une élévation de température de la couche superficielle (c) Une énergie de rotation et de rebond de la particule. Cette énergie thermique est suffisante pour atteindre en surface la température de recristallisation et de ce fait provoquer un recuit de cette région, la zone de cratères et de plaquettes restera dans un état de recuit permanent, donc doux. En revanche, à mesure que l'on s'éloigne de la surface, la température décroît et les contraintes ne peuvent se relâcher, entraînant la création d'une bande, parallèle à la surface, dont l'écrouissage et la dureté augmentent progressivement.


En dessous de cette couche écrouie, c'est-à-dire loin du rayon d'action des contraintes induites en surface, on retrouve le métal sain. Quand la région écrouie a atteint sa dureté maximale, elle fait office d'enclume pour la zone tendre située au-dessus d'elle. On comprend également les raisons qui font que l'érosion est encore importante à 90° d'incidence. En effet, la formation des plaquettes se poursuit et leur forgeage multiple entraîne leur arrachement. 2.1.2 Comportement purement fragile BITTER (4) expliqua plus tard l'érosion par déformation en ajoutant au modèle de FINNIE un processus de martèlement de la cible dû aux impacts répétés des particules, le résultat étant une fragmentation de la surface à la suite de la propagation de fissures. Le modèle s'appuie sur une analyse de la propagation d'une onde élastique lors de la collision de deux corps. L'érosion par déformation En considérant le choc d'une particule élastique sur un plan élastique-plastique, BITTER a établi que la vitesse maximale Vm, à laquelle le choc est encore élastique, obéit à la relation :

Vm= π2 σ 5/2 . 1 [(1 - μ12 + 1 - μ2

2)] 2

2√10 (d) 1/2 E1 E2 où σ = contrainte élastique-limite. Cette valeur est comprise entre 1,59 et 3,2 fois la limite

élastique; pour une vitesse pas trop élevée, on peut adopter le coefficient 1,59 d = densité de la particule E1, E2 = module d'Young de la particule et du plan μ1,μ2 = coefficient de Poisson de la particule et du plan. Cette relation suppose Ψ constant au cours de la déformation, et la particule sphérique. La première hypothèse n'est vraie que pour un matériau purement élastique, mais si on considère le processus d'érosion comme un état stationnaire, les constantes élastiques de la couche superficielle très déformée ne varient plus guère au cours d'une déformation supplémentaire. Dans le cas d'une particule anguleuse, BITTER démontre que l'on peut admettre que la particule a une densité apparente plus élevée. Quand la vitesse V de la particule est plus grande que Vm, l'excès d'énergie 1/2 m(V - Vm)2 produit une déformation plastique. Si n particules de masse totale M heurtent la surface sous un angle α , le transfert d'énergie à la couche superficielle sera : Q = 1 .m (Vsinα - Vm)2

2

et si ε est la quantité d'énergie nécessaire pour enlever une unité de volume de matière par déformation, l'érosion par déformation WD peut s'écrire : WD=1/2 .M (Vsinα - Vm)2

ε

Bien sûr, ce modèle s'applique plus précisément aux matériaux fragiles et la figure 9 traduit en fonction de l'angle d'incidence la courbe suivante.


Fig. 9 : Taux d'érosion en fonction de l'angle Le comportement à l'érosion des matériaux purement fragiles (verres, céramiques...) est caractérisé par la fissuration, la fragmentation et l'écaillage de la surface. Comme l'on a pu le voir précédemment le taux d'érosion de ce type de matériau dépend fortement de l'angle d'incidence sous lequel les particules impactent la surface. Il augmente avec l'angle, et c'est à 90° qu'il est le plus important quand l'indentation est normale et l'énergie apportée maximale (facilité accrue de créer un réseau de fissures). ZAMBELLI (5) a mis en évidence plusieurs mécanismes d'érosion des matériaux fragiles: Si le matériau est capable d'absorber une partie de l'énergie cinétique des particules sous forme de déformations plastiques (Fig. 10). Juste sous la zone indentée, apparaît une zone de compression hydrostatique entourée d'une zone purement plastique, le tout à l'intérieur d'une matrice élastique(avec apparition de quelques petites fissures radiales). Plus importante est l'apparition d'une zone de fissures latérales (dues aux contraintes de tension) au dessous de la zone plastique. Ces fissures latérales ont une taille inférieure à la taille critique, mais elles servent d'amorce au mécanisme d'écaillage. En effet, à la suite de plusieurs impacts, cette zone se propage sous la surface et provoque véritablement l'écaillage de la surface du matériau.

Fig. 10 : Fissuration après impact Si par contre, le matériau n'est pas capable de dissiper une partie de l'énergie cinétique sous forme de déformation plastique, il y a apparition de fissures typiques de fracture hertzienne. 2.1.3 Comportement mixte La plupart des matériaux ne se comportent pas de façon uniquement fragile ou ductile même si l'un ou l'autre de ces comportements est dominant. Certains matériaux peuvent même changer de comportement selon les caractéristiques de l'érodant ou selon le traitement thermique imposé. Deux mécanismes interviennent dans l'érosion: * L'érosion par effet de coupe aux incidences rasantes où l'on observe souvent un faciès d'usure

constitué de rides ou de vagues perpendiculaires à la direction du flux de particules. * L'érosion par déformation aux angles d'incidence voisins de la normale d'où un risque

d'écaillage si le matériau est dur ou d'incrustation et de protection si le matériau est tendre.


L'usure par érosion est à chaque instant la somme de l'usure produite par déformation et par effet de coupe, soit : Wt = WD + WC Remarque : Les variations du taux d'érosion en fonction de l'angle d'incidence permettent de distinguer le comportement des matériaux fragiles de celui des matériaux ductiles car il y a interaction des paramètres de l'incidence d'impact et de la dureté de la surface qui joue sur la répartition des effets de coupe et de déformation et module l'usure selon les cas.

La Fig. 11 illustre schématiquement le comportement à l'érosion d'un matériau essentiellement doux et ductile et celui d'un matériau essentiellement dur et fragile, érodés dans les mêmes conditions. Fig. 11 a : Fig 11 b : Exemple d'érosion d'un matériau Exemple d'érosion d'un matériau essentiellement ductile (Alu) essentiellement fragile (Acier trempé) Remarques : La vitesse des particules et l'angle d'impact déterminent le type d'érosion prédominant. L'exposant de la vitesse peut être différent de 2 et varie parfois avec la vitesse, c'est-à-dire que la relation entre la valeur de l'exposant et la vitesse en coordonnées logarithmiques n'est pas linéaire. La fragmentation de l'abrasif en est la conséquence majeure et ce phénomène conduit à une abrasion secondaire due à l'éjection latérale des fragments d'abrasifs. Toutefois, d'autres points de vue ont été développés parallèlement à l'approche mécanique. 2.2 APPROCHE METALLURGIQUE - MICROSCOPIQUE La composition et la structure des matériaux influent sur les caractéristiques que sont la dureté ou la ténacité. Jusqu'alors, la plupart des travaux n'avaient porté que sur des modèles analytiques d'enlèvement de métal sans se préoccuper du comportement du matériau en liaison avec sa microstructure. C'est LEVY (6) qui a eu le mérite de s'interroger dans les premiers sur l'influence de la microstructure du matériau, dans le mécanisme d'érosion. Dans cette optique, il a mené différents travaux tant sur les aciers que sur les alliages d'aluminium qui ont montré que le taux d'érosion est directement relié à la répartition des phases dures, fragiles, douces et ductiles dans l'alliage. Le XC75 est un bon exemple car les globules de Fe3C espacés dans une


matrice ferritique provoquent une érosion moindre que la fine structure perlitique (où les carbures en plaquettes séparent finement les zones ferritiques) Autre exemple probant: des essais sur une fonte hypereutectique à haut chrome traitée à 740 HV, qui présente une tenue à l'érosion par le quartz systématiquement plus faible que celle d'un acier doux de 200 HV. Ce mauvais comportement de la fonte à 35% Cr est dû à un déchaussement et à une fracture préférentielle des carbures M7C3. Par contre, HICKEY (7) montre que de fines précipitations de SiC sur substrat acier donnent un meilleur résultat qu'une précipitation grossière. La forme des précipités ou leur surface spécifique a donc aussi de l'importance, tout autant que leur taille et leur répartition. Dans le cas de la perlite lamellaire, les interfaces plaquettes-matrice sont autant de points faibles pour l'érosion. En effet, des observations microscopiques montrent des fissures qui démarrent le long des lamelles de cémentite fragile. 2.3 APPROCHE THERMIQUE Etant donné que la particule apporte et transmet au matériau une certaine énergie cinétique emmagasinée, le problème peut se poser d'un point de vue thermique Cette approche est complémentaire des autres points de vue développés plus en avant. Sachant que dans un processus de déformation, environ 90 à 95% de l'énergie disponible est dissipée thermiquement et que c'est la partie restante seulement qui produit des effets mécaniques, SMELTZER (8) a déduit que des mécanismes de fusion intervenaient dans le processus d'érosion. Il a montré que l'énergie cinétique disponible lors de l'impact était suffisante pour provoquer la fusion du volume de matière enlevée lors de l'érosion et l'ont prouvé grâce à des faciès érodés en microscopie électronique à balayage. Les mécanismes principaux seraient alors la fusion de la surface sous l'impact avec éjection de matière fondue ou semi-fondue. Toujours dans le cadre d'une approche thermique, JENNINGS (9) vérifie un modèle thermo-dynamique sur différentes cibles ductiles(titane, aluminium)qui fait intervenir pour la première fois la température de fusion de la cible et son enthalpie de fusion. MALKIN(10) dans des travaux plus récents (1981) va toujours dans ce sens. Son étude présente une corrélation expérimentale entre l'énergie d'érosion des métaux ductiles et leur énergie spécifique de fusion par unité de volume(définie comme la différence d'enthalpie entre l'état liquide et la température ambiante).(Fig. 12)


Fig. 12 : Corrélation énergie de fusion - énergie d'érosion Il faut noter que le coefficient de corrélation dépend de la nature de l'érodant. MALKIN montre que la corrélation est bonne (quels que soient la vitesse des particules et l'angle d'incidence) et explique ainsi la meilleure résistance à l'érosion de Ni, Co, Fe, par rapport à W ou Mo et le comportement semblable de Ni, Co, Fe devant l'érosion. Cependant, l'interprétation reste très difficile. Il attribue cette corrélation aux très importants taux de déformation qui apparaissent, de telle sorte que la déformation devient presque adiabatique et que l'énergie de déformation plastique atteint l'énergie de fusion.Bien que vérifiée seulement pour des angles d'incidence de particules faibles, il pense qu'elle est aussi vérifiable à 90°. Dans des travaux parallèles, HUTCHINGS (11) montre que le taux d'érosion est proportionnel à CpρΔT. A la suite de ces travaux, il semble difficile de repousser l'hypothèse de la fusion ponctuelle du matériau, d'autant plus que BROWN présente à partir de photos en microscopie à balayage des faciès d'érosion caractéristiques de surfaces fondues. Cette approche permet aussi de donner un bilan énergétique du phénomène (Fig. 13).

Fig. 13

3. LOI GENERALISEE DE L'USURE PAR EROSION Un certain nombre d'approches empiriques ont été utilisées pour modéliser le comportement à l'érosion des différents matériaux, on citera l'approche d'Adrien MAGNEE (13-14) qui a établi une loi généralisée d'usure par érosion pour les matériaux de type métallique sous forme non dimensionnelle. Celle ci rend compte explicitement de la nature et de la microstructure du matériau impacté, de l'angle d'impact des particules, de leur acuité et de leur dureté. Cette loi dérive du modèle de BITTER. Partant de l'équation d'usure unifiée qui a pour expression: W=K1.Δ/H -Δ : représente l'énergie potentielle emmagasinée dans le corps à partir de son état naturel. Cette source d'énergie potentielle correspond, dans le cas de l'érosion, à l'énergie

cinétique de la particule. -K1 : le coefficient K est de la forme K1 = f1(α,n,k)λ,f(Ha/H) - α correspond à l'angle d'impact des particules,


- f0:coefficient de friction, - n définit l'angle de rebondissement des particules, en l'occurrence l'angle au dessous

duquel la vitesse tangentielle résiduelle des particules est nulle. Cet angle α0 est tel que: α0=Π/2n=arctg 1/6f0,

- k est le paramètre microstructural qui tient compte du comportement élastoplastique du

matériau érodé soit: k=φ/ε, - φ est l'énergie de coupe du matériau (J/m3); celle-ci est pratiquement équivalente à la

dureté du matériau(travaux de FINNIE), - ε est l'énergie de déformation du matériau, c'est à dire l'énergie requise pour enlever une

unité de volume de matière de déformation (J/m3); ce paramètre introduit par BITTER est lié aux propriétés qui traduisent le niveau de fragilité du matériau (niveau de plasticité avant rupture, ténacité),

- λ désigne l'acuité des particules impactant la surface si l'on considère que celle-ci

indente la surface comme un cône d'angle au sommet 2θ , on a: λ=6*cotgθ / Π. On observera que pour des angles θ de l'ordre de 60°, le facteur λ vaut pratiquement l'unité, ce qui correspond par ailleurs au contact sphérique ou par référence λ=1, - La fonction f (Ha/H) traduit le fait que la dureté de l'abrasif, tout autre paramètre de la

configuration étant maintenu constant, influence l'amplitude du phénomène d'usure. Ce fait a été montré pour la première fois, dans le cas de l'abrasion par KRUSCHOV (14).

Fig. 14 : Courbe d'usure par abrasion selon Khrushchov Résultats expérimentaux de Magnee La fonction f(Ha/H) a pour expression f(Ha/H)= 1-exp( -ln2 (Ha/m.H)1+2m) -m est le coefficient d'abrasion qui caractérise la transition du phénomène d'usure (1<m<Π) Dès que la dureté de l'abrasif devient supérieure à la dureté du matériau, la fonction tend vers 1, cette valeur est obtenue pratiquement pour Ha ≥2H. La répercussion de la dureté de l'abrasif sur l'amplitude de l'érosion constitue un paramètre très important du comportement du système tribologique. - la fonction f1 rend compte du transfert d'énergie qui s'opère entre les particules et le matériau,

source du phénomène d'érosion. La composante normale de vitesse de la particule (Vsinα) provoque un effet de déformation du solide conduisant à un arrachement de matière, tandis que la composante tangentielle (V cosα) est responsable d'un effet de coupe.

l'usure par déformation est alors: Wd = M (Vsinα - Ve)2 /2ε


Ve est la vitesse d'impact limite où la réponse du solide est encore élastique;elle est de l'ordre de quelques m/s pour les matériaux métalliques et peut être négligée. L'usure du matériau par effet de coupe a pour valeur : Wc = M (V2cos2α - V2r) /2φ

Vr est la vitesse tangentielle résiduelle de la particule après impact ;celle-ci est différente de 0 pour des angles rasants d'impacts compris entre 0° et α0 f1= k(sinα - Ve/V)2 +(cos2α - V2r/V2) On aboutit à une formule généralisée d'érosion sous la forme non dimensionnelle suivante:

W*(n, k,α)= 2 W.φ M.V2.λ.f(Ha/H) LOI GENERALISEE:

W=MV2 ( cos2α sin nα+k sin2α)λ.[ 1-exp( -ln2 (Ha/m.H)1+2m)] 2φ

La fonction sin nα devient égale à 1 dès que α ≥ α0 L'expression de k varie selon la nature du matériau (comportement fragile, ductile, mixte). 4. EFFETS DES DIFFERENTS PARAMETRES La Fig. 15 montre l'évolution de l'usure d'un acier étiré en fonction de la masse impactante d'abrasif constitué par du quartz en impact frontal : le taux d'usure varie linéairement avec celle-ci, conformément à la loi d'érosion.


Fig. 15 : Erosion de l'acier doux en fonction de la masse impactante (α = 90°, SiO2; V(1) = 25m/s; V(2) = 50m/s)

La Fig.16 est relative à l'évolution du taux d'usure en fonction de la vitesse d'impact: l'exposant de la loi est proche de 2, comme on l'a vu précédemment, celui-ci peut être supérieur à cette valeur par suite d'une érosion secondaire introduite par la fragmentation des abrasifs. On conçoit que l'éjection latérale des fragments soit entravée par les fragments voisins et les particules incidentes.

Fig. 16 : Erosion de l'acier doux en fonction de la vitesse d'impact (α = 90°, SiO2) Bien que non mentionné dans la formule généralisée, il faut noter que la taille des grains a aussi une influence sur l'exposant donc sur le taux d'érosion. Aucun matériau n'est complètement ductile-fragile et Sheldon et Finnie furent les premiers à démontrer qu'il pouvait exister une transition ductile fragile dans les matériaux céramiques. Ils ont montré qu'à vitesse constante (150m/s), le comportement de matériau du type verre, oxyde magnésium, graphite vis à vis de l'érosion dépendait de la taille des particules. La Fig. 17 indique un comportement fragile pour une taille de particules en SiC de l'ordre de 127 microns alors qu'un comportement ductile est observé avec des particules de 9 microns. Cependant, TILLY et d'autres ont observé (Fig. 18) que l'endommagement va croissant avec la taille des particules jusqu'à atteindre une taille critique (100 microns) au delà de laquelle ce paramètre n'a plus d'influence sur l'érosion, ce qui représente le cas le plus général, c'est d'ailleurs pourquoi A MAGNEE ne l'a pas considéré.


Fig. 17 : Effets de la taille des particules et de l'angle d'impact sur l'érosion (D'après Sheldon & Finnie 1966)

Fig. 18 : Effets de la taille et de la vitesse des particules sur l'érosion (Acier à 11% chrome) Le Tableau 1 fournit les paramètres d'érosion de différents matériaux impactés par du corindon à 50m/s. On observe bien le comportement attendu pour des matériaux doux très ductiles comme l'aluminium et de matériaux durs et plus fragiles comme un acier martensitique hypereutectoide ou une fonte à haute teneur en chrome. - les matériaux doux sont caractérisés par une usure maximale correspondant à des impacts sous

incidences obliques et par une énergie spécifique de déformation plus élevée que l'énergie spécifique de coupe (k<1).

- les matériaux durs présentent une usure maximale lors d'impacts sous incidences frontales, l'énergie spécifique de déformation devenant plus faible que l'énergie spécifique de coupe (k>1).


Tableau 1 : Paramètres d'érosion de différents matériaux métalliques (abrasif : Al2O3; 50m/s)

La Fig. 19 montre l'usure de l'acier doux, d'un acier à 1,5% Cr et d'une fonte à haut taux de chrome en fonction de la direction d'incidence des particules constituées par du quartz. On met en évidence l'importance des conditions de travail des équipements industriels dans les conditions d'érosion: La connaissance de l'angle statistique d'impact est d'un intérêt primordial puisque l'on observe que le comportement en service d'un alliage peut se révéler favorable ou non, suivant précisément cet angle de travail.

Fig. 19 : Influence de l'angle d'impact sur le comportement des matériaux (SiO2, 50m/s) La Fig. 20 illustre l'influence du rapport (Ha/H) entre dureté de l'abrasif et dureté du matériau impacté. Ce diagramme montre que les mérites respectifs d'un alliage vis à vis d'un autre dépendent également de la nature des produits que l'on est amené à traiter. Une solution valable pour des matières de faibles dureté ne le sera pas nécessairement dans le cas de matières plus dures.

Fig. 20 : Influence de la dureté de l'abrasif sur le comportement des matériaux (α = 30°; 75m/s)


CHAPITRE 3 LES MATERIAUX POUR COMBATTRE L'ABRASION Les divers matériaux peuvent être classés selon leur composition, leur microstructure ou leurs propriétés. Les grandes classes de matériaux technologiques sont constituées par les groupes suivants: - les métaux et les alliages métalliques ferreux(aciers, fontes) et non ferreux (à base de

cobalt, nickel,). - les céramiques:alumine, zircone, nitrure de silicium, carbure de silicium, carbure de

tungstène.... - les polymères organiques:thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères... - les matériaux composites volumiques résultant d'une association de deux phases

principales, une matrice organique, métallique ou céramique et un matériau de renfort fibreux ou granulaire : matrice époxy et fibres de carbone, matrice de cobalt et grains de carbures de tungstène.

- les matériaux composites surfaciques impliquant un revêtement de nature différente du

substrat sur lequel on le réalise : (CVD, PVD, projection thermique, rechargement) Nous examinons à présent ces différents matériaux dans leur comportement à l'abrasion en insistant plus particulièrement sur les matériaux massiques.

1. LES ALLIAGES METALLIQUES Les alliages métalliques utilisés pour leurs propriétés de tenue à l'abrasion comprennent les aciers peu alliés, les aciers au manganèse, les fontes au nickel et au chrome, certains superalliages base Ni et Co, ainsi que certains cuproaluminiums. Les plus répandus sont les alliages ferreux (aciers et fontes). La majorité des aciers utilisés en tôles par l'industrie dans la lutte contre l'abrasion présente des traits communs, à savoir : - une matrice douce, consolidée par des éléments d'alliage tels que le silicium, le manganèse, le

nickel, afin de répondre sans risque de rupture aux chocs et aux pressions de travail; -des carbures fins, durs, répartis uniformément dans la matrice, obtenus par l'addition d'éléments

tels que le chrome, le molybdène, le silicium. 1. ACIERS AU CHROME-MOLYBDENE Comparés à d'autres matériaux résistants à l'abrasion, ces aciers offrent de nombreux avantages. - disponibilité, - risque de fissuration ou ruptures limitées, - bonne résistance, - prix de revient bas. La combinaison du chrome et du molybdène sert à accroître la trempabilité de ces aciers. 1.1 ACIERS PERLITIQUES AU CHROME-MOLYBDENE


Les aciers perlitiques à haut carbone, au chrome et molybdène ont été introduits pour la première fois en 1934 et, depuis des années, ont été produits en gros tonnages pour des blindages de broyeurs, des barres d'élévateurs et des grilles. Ce type d'acier est relativement bon marché, il a une ductilité suffisante pour de nombreuses applications mais n'a qu'une résistance modérée à l'abrasion. Aux Etats-Unis, on trouve sur le marché deux nuances d'acier perlitique au chrome-molybdène. La nuance à 0,6% de carbone est normalisée et revenue pour une dureté de 320 à 380 HB et avec une dureté semblable, la nuance à 0,85% de carbone est caractérisée par une résistance à l'abrasion quelque peu meilleure. Les aciers de ce type contiennent normalement 0,7 à 0,9% de manganèse, 1 à 2,5% de chrome et entre 0,3 et 0,5% de molybdène. Composition classique : - carbone:0.6 à 0.85% - chrome:1 à 2.5% - molybdène:0.3 à 0.4% - manganèse:0.9% - trempé et revenu à une dureté de 350HB Applications : Les plaques de blindage en acier perlitique au chrome-molybdène sont souvent fournies comme revêtement initial dans les nouveaux broyeurs. Elles sont relativement bon marché et assez tenaces pour supporter des conditions sévères qui peuvent se présenter pendant la période de rodage (industrie du ciment). 1.2 ACIERS MARTENSITIQUES AU CHROME-MOLYBDENE Les aciers au chrome molybdène (trempés et revenus) sont utilisés dans une large gamme de blindage de broyeurs épais soumis à des chocs violents. Les teneurs en carbone des aciers trempés et revenus, utilisés dans ce but, sont généralement comprises entre 0,35 et 0,6% suivant la meilleure combinaison considérée de ténacité et de résistance à l'abrasion. Les aciers trempés et revenus semblent convenir tout spécialement dans les broyeurs semi-autogénes de gros diamètre. Le tableau 2 donne des compositions types d'acier qui sont utilisés à l'état trempé et revenu. Tableau 2 : Aciers martensitiques au chrome-molybdène pour plaques de blindage de broyeurs

Cependant, il existe un certain nombre de nuances, à teneur moins élevée en carbone (%C<0,3) et éléments d'alliage variable qui présentent l'avantage d'être soudables, facilitant ainsi la mise en oeuvre et l'entretien par rechargement. A composition égale, une structure martensitique possède une résistance à l'abrasion et une ténacité plus grande qu'une structure ferrito-perlitique, d'une part en raison de l'écart de dureté, d'autre part en raison de la finesse de la microstructure dans le cas de la martensite. Exemple de composition: C: 0,29; Mo: 0,2; Si: 0,3. Cr: 1,1; Mn: 0,6;


Applications : - Blindage de broyeurs L'utilisation de l'acier martensitique trempé et revenu pour la fabrication de pièces jusqu'à 200 mm d'épaisseur est très fréquente. 2. ACIERS AUTOTREMPANTS - ACIERS CHROMOSILS Un acier contenant de multiples éléments d'alliage suivant la composition ci-dessous, refroidi jusqu'à une température de 300°C en moins de 25mn peut être exempte de perlite et de bainite et peut avoir une dureté martensitique d'environ 650HV. Composition classique : - carbone: 0.4 à 0.45% - chrome: 1,35 à 1,60% - silicium: 0.9 à 1,6% - manganèse: 1,4 à 1,6% - nickel: 0,5 à 0,6% Applications: plaque de blindage de broyeurs. 3. ACIERS AUSTENITIQUES AU MANGANESE Le domaine d'application des aciers austénitiques au manganèse est très vaste. Parmi ceux-ci, l'acier Hadfield par suite de son faible coût de production et de la simplicité de sa mise en oeuvre, est utilisé fréquemment dans des problèmes liés à l'érosion. La caractéristique la plus remarquable de cette classe d'aciers est la grande aptitude à l'écrouissage de la structure initiale austénitique, c'est-à-dire au durcissement sous l'effet de certaines sollicitations telles que les chocs répétés. Nous décrirons les propriétés de résistance à l'érosion d'aciers du type Hadfield modifié par addition soit d'éléments à effets sur la matrice austénitique (Ni, Cu, Co, Mn), soit d'éléments carburigènes (Cr, Mo, W, Ti, Nb, V). 3.1 ACIER Z120M12 Il y a juste un siècle, en 1882, les travaux de R.A. Hadfield aboutissent à la création de l'acier au manganèse dont la composition usuelle est restée inchangée depuis, à savoir, une teneur en carbone de 1 à 1,45% et un rapport Mn/C de 10. Cet acier hypereutectoïde à structure entièrement austénitique n'atteint ses caractéristiques particulières qu'après un traitement thermique approprié. Ce traitement, qui vise à maintenir en solution le carbone, consiste à porter l'acier à une température telle que la structure soit totalement austénitique (1000 à 1100°C), à l'y maintenir pendant environ 1 à 2 heures et ensuite à le tremper à l'eau pour figer la structure austénitique sans précipiter les carbures. Les teneurs croissantes en carbone stabilisent la structure austénitique et l'influence du manganèse se fait dans le même sens. Ces mêmes auteurs ont d'ailleurs montré que la quantité d'austénite susceptible de se décomposer en conditions isothermes augmente lorsque la teneur en manganèse diminue. Cependant, même après des maintiens d'une centaine d'heures aux températures où la cinétique de la décomposition de l'austénite est la plus rapide, cette décomposition n'est jamais complète et l'austénite résiduelle peut donner naissance à des constituants martensitiques qui se forment au cours du refroidissement. Cette propriété est toutefois affectée par les précipitations intergranulaires de carbures qui se forment lorsque la teneur en carbone est trop élevée (Mn/C<10) ou la température d'austénisation trop basse. A l'état hypertrempé, ces aciers ont une dureté faible (200 HB environ) et une ténacité élevée. La caractéristique essentielle est la grande aptitude à l'écrouissage, c'est-à-dire au durcissement sous l'effet de chocs répétés, ce qui provoque une surface très dure (500 HB) alors que la couche interne conserve sa ductilité initiale. De ce fait, les aciers austénitiques au manganèse s'utilisent à l'état moulé en raison


de leurs difficultés de transformation à chaud et ne présentent tout leur intérêt qu'en présence de fortes sollicitations avec chocs. Par ailleurs, ils sont sensibles aux effets de variations dimensionnelles par fluage qui entraînent quelquefois des mises hors service rapides : sous l'effort ou le choc, il peut apparaître à l'arrière des parties durcies des déformations importantes. C'est pourquoi, pour diminuer le fluage et augmenter la dureté initiale, on procède parfois à des additions complémentaires telles que le chrome et le molybdène qui améliorent la résistance mécanique et la tenue à l'échauffement. Les alliages industriels 12 Mn - 1 Cr et 12 Mn - 2 Cr - 1 Mo n'offrent cependant pas une résistance à l'usure très différente de la nuance classique Hadfield. Des études récentes ont montré d'autre part que la résistance à l'usure croît avec la teneur en carbone et décroît avec la teneur en manganèse. Ces études ont conduit à la mise au point de nuances telles que 6 Mn - 2 Cr - 1 Mo et 6 Mn - 1 Mo qui ont une résistance à l'usure de 15 à 25% supérieure à celle de la nuance Hadfield. Cependant, leur résistance aux chocs plus faible et leur coût initial plus élevé les ont empêchées de supplanter l'acier Hadfield dans les broyeurs et les blindages. Mise en oeuvre par usinage L'acier Z 120 M 12, dans son état structural d'emploi, est difficilement usinable, ce qui explique le fait qu'il est souvent utilisé à l'état moulé. Applications : - broyeurs - blindages 3.2. ACIERS HADFIELD MODIFIE Les excellentes propriétés des aciers au manganèse comportent des désavantages, dus d'une part, à l'amplitude des déformations que les pièces travaillantes peuvent subir en service, constituant un handicap pour le reste de l'appareillage, et d'autre part, liés à leur mauvaise résistance dans les processus faisant intervenir peu ou pas de chocs, leur résistance étant alors celle d'un acier doux ordinaire. L'idée de base est de réaliser à la fois : - une matrice ductile à fort coefficient d'écrouissage afin d'obtenir une résistance élevée à l'effet de déformation; - une dispersion de particules dures afin de contrôler le phénomène de coupe. D'une manière générale, l'introduction d'éléments carburigènes dans la structure conduit à une chute plus ou moins marquée des propriétés de ductilité vis à vis de l'acier austénitique à 12 % Mn. Par ailleurs on n'observe pas de propriétés d'écrouissabilité plus élevées que celles de la matrice de base. 3.2.1 ACIER 12 - 2 L'acier 12-2 est un acier austénitique à haut carbone qui possède simultanément l'excellente ténacité et le durcissement par écrouissage des aciers Hadfield, et comparativement à ce dernier, une résistance supérieure à la déformation et à l'abrasion. Bien que l'acier au manganèse ait été utilisé depuis de nombreuses années pour les applications exigeant une bonne résistance à l'abrasion(surtout lorsque des chocs considérables se trouvent impliqués), il a perdu du terrain au profit des aciers et des fontes possédant une meilleure résistance à l'abrasion ou une plus haute limite élastique. L'addition d'environ 2% de molybdène à l'acier Hadfield est un moyen efficace pour élever sa limite élastique (et, en conséquence, pour améliorer sa résistance à la déformation en service) et réduire au minimum la fragilisation par les précipitations de carbures dans les sections fortes ou soudées. Mais le plus grand


avantage du molybdène apparaît lorsqu'on fait également subir à la pièce un traitement thermique spécial permettant d'obtenir une microstructure à carbures dispersés. L'addition de molybdène dans l'acier austénitique à 12% de manganèse offre deux avantages supplémentaires en permettant des teneurs en carbone supérieures à la teneur normale, ce qui contribue à l'amélioration de la résistance à l'abrasion, et en donnant des propriétés mécaniques et des caractéristiques d'abrasion élevées aux pièces de grande section, par exemple aux blindages de broyeurs d'une épaisseur de 15 cm environ. TRAITEMENT THERMIQUE Le traitement conventionnel de l'acier Hadfield est une trempe à l'eau à 1040 - 1100°C. Le traitement qui confère au 12-2 une résistance à l'usure optimale consiste en un maintien de 12 heures à une température comprise entre 580 et 641°C pour assurer une coalescence des carbures, suivi d'une réausténisation de 25 minutes par centimètre d'épaisseur entre 635 et 1010°C et d'une trempe à l'eau. Les moulages qui ont subi ce traitement sont désignés par la lettre "S", l'indication "12-2 HCS", par exemple, correspond à un moulage en acier 12-2 à teneur en carbone élevée soumis au traitement de durcissement par précipitation et sphéroïdisation. Bien que ce ne soit pas indispensable, on peut aussi démouler à chaud à environ 540°C et porter les moulages au four à 590°C. STRUCTURE A l'état brut de moulage, l'acier 12-2 possède une structure austénitique contenant des carbures non-dissous. Ces carbures tendent à une forme globulaire et pour cette raison ils nuisent probablement moins à la ténacité que les carbures continus qui entourent les grains de l'acier Hadfield à l'état brut de moulage. Le traitement à 590°C transforme une partie de l'austénite de l'acier 12-2 en perlite, tandis que la seconde partie du traitement est une réausténisation limitée qui dissout partiellement les carbures, ce qui favorise leur sphéroïdisation. Les carbures résiduels prennent la forme d'une fine dispersion de carbures sphéroïdaux dans une matrice d'austénite. PROPRIETES MECANIQUES Les propriétés de tous les aciers austénitiques à haute teneur en manganèse sont d'autant moins bonnes que les dimensions des pièces augmentent. Cependant, ils sont moins influencés par l'effet de masse que l'acier Hadfield classique et que l'acier Hadfield à 2% de molybdène. Ceci est dû en grande partie au fait que le molybdène supprime très efficacement la précipitation des carbures intergranulaires qui sont la cause commune de fragilité des moulages de forte section en aciers austénitiques au manganèse ou des zones affectées par la soudure. L'acier 12-2 possède une dureté, une résistance et un durcissement par écrouissage plus grands que l'acier Hadfield. De plus, malgré sa résistance et sa dureté plus élevées, la ductilité et la ténacité de l'acier 12-2 soutiennent une comparaison favorable par rapport à celles des aciers Hadfield classiques, ainsi que le prouvent les propriétés mécaniques moyennes des moulages de cinq centimètres de section qui sont données ci-après (tableau 3).


Tableau 3 La limite élastique plus élevée de l'acier 12-2 est une propriété particulièrement utile pour certaines applications. Les courbes rationnelles de traction montrent que l'acier 12-2 a un coefficient d'écrouissage plus élevé que l'acier Hadfield au manganèse ordinaire. Par écrouissage, le 12-2 peut atteindre une dureté de 500 à 550 Brinell.


3.2.2 ACIER 6-1 L'acier 6-1 est un acier austénitique au manganèse dont la teneur en manganèse a été abaissée à environ 6% afin d'améliorer sa résistance à l'abrasion. L'addition de 1% de molybdène stabilise la structure austénitique et empêche la fragilisation qui se produirait dans un acier austénitique à basse teneur en manganèse de ce type. Cet acier a été conçu pour les blindages de broyeurs à boulets, les grilles de déchargement et les cribles grizzly et autres applications où une résistance élevée à l'abrasion tolère une ténacité moyenne. L'acier 6-1 a été mis au point à la suite de recherches et d'essais d'abrasion portant sur des compositions pouvant avoir une meilleure résistance à l'abrasion que les aciers du type Hadfield classiques à 12% de manganèse et conservant les avantages inhérents à cet acier, en particulier une bonne ductilité ou ténacité, un traitement thermique facile, l'absence de contraintes résiduelles élevées dans les pièces de grandes dimensions et un coût de production relativement bas. Le 6-1 est généralement moulé, mais on peut aussi le laminer à chaud et le forger en prenant certaines précautions. Composition : - C 1,20 - 1,40% - Mn 5,50 - 6-75 % - Si 0,40 - 0,70% - S 0,05% max. - P 0,05% max. - Mo 0,90 - 1,10% - Cr 0,50% max. TRAITEMENT THERMIQUE Le traitement et les méthodes de parachèvement sont pratiquement les mêmes pour le 6-1 que pour les aciers à 12% de manganèse. Le traitement final qui vise à obtenir une structure entièrement austénitique consiste en un chauffage à 1040 - 1070° C, suivi d'une trempe à l'eau chaude, calme ou légèrement agitée. Pour les petites pièces, on peut appliquer une trempe à l'huile ou en bain de sel au lieu de la trempe à l'eau. STRUCTURE Le 6-1 est austénitique. Sa micro-structure ressemble à celle de l'acier Hadfield, sauf peut-être en ce qui concerne la grosseur du grain qui serait plus fine. En général, le 6-1 à l'état brut de coulée présente une quantité considérable de perlite. Le changement de phase qui se produit lors de la mise en solution subséquente provoque un affinement du grain. Le rôle essentiel du molybdène dans l'alliage 6-1 est d'empêcher la formation de carbures fragilisants dans la structure austénitique. Sans addition de molybdène, les carbures auraient tendance à précipiter dans les joints des grains, et en plaquettes dans certains plans cristallographiques. Ces carbures rendent les moulages fragiles et sont certainement responsables dans une large mesure des ruptures en service qui se produisent lorsque la teneur en manganèse des aciers Hadfield courants descend à moins de 10%. CARACTERISTIQUES MECANIQUES Les caractéristiques de traction du 6-1 sont inaffectées par l'épaisseur du moulage (tout au moins jusqu'à 15 cm), mais la résistance aux chocs décroît quand l'épaisseur augmente. Les caractéristiques moyennes obtenues en production sur une trentaine de coulées sont les suivantes :

- limite élastique E0,2 kg/mm2 42 - résistance à la traction, kg/mm2 60 - dureté Brinell 193 - allongement, % (10 = 50 mm) 12 - Sstriction, % 20

4. FONTES BLANCHES ET TREMPEES ALLIEES


4.1. FONTES MARTENSITIQUES AU NICKEL - CHROME Les fontes martensitiques du type Ni-Hard constituent aux Etats Unis et au Canada une classe importante de fontes résistant à l'abrasion. Elles étaient les seules fontes très résistantes à l'abrasion existantes pour la production de pièces de forte section. Les fontes à haut chrome-molybdène se sont montrées plus sûres dans des applications où les fontes Ni-Hard étaient sujettes à une rupture prématurée ou à une usure rapide par écaillage; néanmoins, de gros tonnages de fonte Ni-Hard trempée sont encore utilisés pour les blindages des broyeurs humides où les conditions d'impact ne sont pas trop sévères. Bien que la fonte Ni-Hard ne soit pas aussi résistante à l'abrasion que les fontes à 20% de chrome-molybdène, elle est généralement assez bon marché pour justifier son emploi dans de nombreux broyeurs sur la base du rapport qualité/prix. Pendant de nombreuses années, l'industrie américaine a eu la chance d'avoir des fontes Ni-Hard de bonne qualité à un prix relativement bas. Les blindages en fonte Ni-Hard trempée sont utilisés dans de nombreux broyeurs à boulets dans le domaine de la taconite et également dans quelques broyeurs à barre. Elles donnent également de bonnes performances comme blindages de certains broyeurs autogènes bien que les fontes au chrome-molybdène soient maintenant utilisées comme blindage de côtés et comme élévateurs dans ces broyeurs. Pour ces applications, la fonte Ni-Hard trempée répond à deux spécifications de teneur en carbone correspondant au type ASTM Ni-Cr HC et Ni-Cr LC. La dureté de ces deux types est généralement située entre 675 et 730 HB après relaxation pour des épaisseurs allant jusqu'à 160 mm. Une composition type de la nuance à plus haut carbone est : 3,20% carbone total, 0,5% manganèse, 0,5% silicium, 4,3% nickel et 2,4% chrome. Les pièces moulées en fonte Ni-Hard utilisées au Canada et dans les mines de cuivre aux Etats Unis sont principalement coulées en sable et ont rarement une dureté excédant 550 HB. La résistance à l'abrasion de ces fontes est entre 15 à 30% plus faible que celle des fontes Ni-Hard fortement trempées, coulées en coquilles. Les fontes martensitiques au nickel-chrome n'ont eu qu'une utilisation limitée en cimenterie dans quelques broyeurs de clinkers, mais cela n'a pas constitué une grosse application pour ces fontes aux Etats Unis. Depuis de nombreuses années, dans l'industrie du ciment, des blindages en aciers moulés perlitiques au chrome-molybdène ou en acier laminé, ont été utilisés dans la majorité des broyeurs de clinkers. Les fontes résistant à l'abrasion, contenant 6% de nickel et 8% de chrome, sont du type généralement connu sous la désignation Ni-Hard 4. La fonte Ni-Hard 4 n'a pas été acceptée aux Etats Unis aussi largement qu'elle l'a été dans certains pays européens parce que les fontes à 20% de chrome-molybdène sont presque 20% moins chères à produire et ont une meilleure résistance à l'abrasion dans beaucoup d'applications. Mais la fonte Ni-Hard 4 s'est montrée singulièrement intéressante dans les grosses pompes qui fonctionnent avec des boues abrasives. La fonte Ni-hard 4, d'une dureté de 675-700 HB, a donné des performances bien meilleures que celles des fontes à 28% de chrome ou que la fonte Ni-Hard classique. Elle a aussi été utilisée à l'état austénitique pour les grosses pièces de forte section utilisées dans les broyeurs de pulvérisation. La fonte Ni-Hard 4 n'a pas trouvé beaucoup d'applications dans l'industrie minière. Son prix élevé ne peut pas être justifié dans des opérations de broyage humide et elle n'est pas assez tenace pour être utilisée dans les concasseurs giratoires. L' ASTM A532 pour les fontes résistant à l'abrasion fait figurer quatre nuances de fonte au nickel-chrome (Tableau 4).


Tableau 4 : Fontes blanches en nickel - chrome. Composition chimique, % Le plus gros tonnage revient à la nuance Ni-Cr HC pour des applications générales et aussi pour la plupart des blindages trempés utilisés dans l'industrie minière. La structure de la matrice de cette nuance est souvent considérée comme martensitique, bien que, en pratique, elle puisse varier depuis la phase austénitique avec peu ou pas du tout de martensite en passant par une structure mixte d'austénite et de martensite, jusqu'à une structure complètement martensitique, suivant l'épaisseur des pièces et la teneur choisie en éléments d'alliage. Généralement, les fonderies préfèrent viser une structure mixte plutôt que d'utiliser une faible teneur en éléments d'alliage qui risquerait, dans les sections les plus épaisses, de permettre que la structure se transforme en perlite. Cette nuance peut être traitée thermiquement pour réduire la quantité d'austénite résiduelle, mais la plupart des pièces en fonte Ni-Hard sont livrées après relaxation des contraintes à 205°C. La nuance Ni-Cr GB était destinée à couvrir la production des boulets de broyage en fonte Ni-Hard et comportait une fourchette assez large de teneurs en éléments d'alliage afin que les nuances les moins alliées puissent être utilisées pour les boulets de faible diamètre ou les petites pièces. La production de cette nuance est très limitée aux Etats Unis. Applications : - fortes sections, - blindages de broyeurs humides.


4.2. FONTE BLANCHE A HAUTE TENEUR EN CHROME 4.2.1 FONTE A 28% DE CHROME. Bien que les fontes à 28% de chrome soient moins fragiles que les fontes Ni-Hard et généralement plus résistantes à l'abrasion, elles n'ont pas été produites en tonnage aussi important. Les fontes à 28% de chrome ont plutôt été utilisées principalement pour des pièces de section modeste dans des applications où la fonte Ni-Hard se montrait trop fragile et dans des applications où leur résistance plus élevée à l'oxydation à haute température, à la corrosion ou à l'abrasion, leur donnait un avantage très net sur les fontes Ni-Hard et justifiait leur prix plus élevé. Une application pour laquelle les fontes à 28% de chrome conviennent particulièrement est la production de volutes et d'impulseurs de pompes. Cet alliage est capable de supporter la combinaison de la corrosion et de l'abrasion mieux que la plupart des autres matériaux, dans une gamme de pH couramment rencontrés dans les opérations minières. Les pompes revues pour résister principalement aux conditions d'abrasion sont maintenant réalisées en fonte à 15 ou 20% de chrome et donnent entière satisfaction. Une durée de vie équivalente ou accrue est généralement obtenue avec des teneurs en carbone plus élevées permises par les teneurs plus basses en chrome. Mais les pompes prévues pour rencontrer des conditions plus agressives continuent à être faites en fonte à 28% de chrome. Des études ont aussi montré que les fontes traitées à l'état martensitique avaient une résistance à la corrosion bien meilleure que les fontes non traitées ayant une structure austénitique. Le molybdène renforce la résistance à la corrosion des fontes à 28% de chrome, comme on pouvait le prévoir d'après le comportement du molybdène dans les aciers au chrome. Quelques fontes à bas carbone à 28% de chrome et 2% de molybdène sont maintenant produites pour répondre à la demande d'alliages capables de supporter une abrasion très sévère dans des milieux qui peuvent avoir un pH descendant jusqu'à 3,5. Dans ces conditions, on utilise des fontes dont la teneur en carbone est réduite jusqu'à 1%. Elles semblent être un compromis intéressant entre les aciers inoxydables ayant une bonne résistance à la corrosion et les fontes à haut carbone ayant une bonne résistance à l'abrasion. Applications : - impulseurs de pompes 4.2.2 FONTES A 20% DE CHROME MOLYBDENE L'introduction des fontes à 20% de chrome-molybdène, dans le milieu des années 60 a marqué une importante avance dans la technologie des fontes au chrome résistant à l'abrasion. Pour la première fois, il a été possible de faire des pièces en fonte au chrome de forte section avec une excellente résistance à l'abrasion, ce qui avant, n'était possible qu'avec des pièces dont l'épaisseur était inférieure à 50 mm. Les fontes à 20% de chrome-molybdène se sont aussi montrées moins fragiles que toute autre fonte alliée résistant à l'abrasion, même en forte section. Avec de telles caractéristiques, il n'est pas surprenant que les alliages à 20% de chrome-molybdène aient pris de plus en plus d'importance ces dernières années. Deux variantes de fontes à 20% de chrome-molybdène sont maintenant d'une importance commerciale majeure. L'une fait l'objet d'un brevet et est basée essentiellement sur l'emploi du molybdène et du nickel pour obtenir une trempabilité élevée, tandis que l'autre utilise l'effet synergétique du molybdène et du cuivre pour atteindre le même résultat. Ces deux alliages sont produits en très gros tonnages pour la fabrication de plaques de blindage pour les broyeurs à boulets et à barres. Les pièces de forte section telles que les plaques de blindage sont normalement utilisées après traitement thermique.


Dans des conditions de broyage humide, on a constaté qu'une structure martensitique avait une durée de vie plus longue qu'une structure austénitique, brut de coulée. Les pièces jusqu'à 150 mm d'épaisseur sont considérées de qualité acceptable si elles ont une dureté de 720 HB. Des considérations économiques et les coûts élevés du nickel et du cuivre ont favorisé la production de l'alliage à 20% du chrome, 2% de molybdène et 1% du cuivre. Cet alliage, sous forme de plaques de blindage de forte section, est couramment produit à un niveau dépassant les 3000 T par an. La composition nominale de 20% de chrome, 2% de molybdène et 1% de cuivre n'est maintenant surtout utilisée que pour les pièces d'une épaisseur supérieure à 150 mm. Pour économiser les éléments d'alliage, on utilise plus fréquemment les alliages dont la teneur en chrome et en molybdène se trouve au bas de la fourchette de spécification de l'alliage 20-2-1. Cet abaissement des éléments d'alliage ne semble pas avoir un grand effet sur la résistance à l'abrasion ou la ténacité. Les pièces moulées en alliage à 20% de chrome, 2% de molybdène, 1% de cuivre, sont très demandées dans le domaine de pulvérisation de charbon et de matières minérales. Ceci est dû en partie au succès des essais effectués avec cet alliage sur une période de plus de deux ans et en partie à la demande croissante des équipements de pulvérisation de toutes sortes. La plupart des pièces essayées en service ont été traitées thermiquement pour obtenir la résistance maximale à l'abrasion et les caractéristiques mécaniques optimales. Afin d'accroître le rendement et de réduire le coût des pièces de ce genre, des essais sont maintenant faits avec des pièces qui ne risquent pas de rencontrer des contraintes supérieures à la limite d'élasticité de l'alliage pour éviter d'éventuels problèmes d'écaillage. Applications : - pièces de fortes sections, - plaques de broyeurs. 4.2.3. FONTES A 15% DE CHROME MOLYBDENE L'augmentation du prix du ferrochrome a incité les fonderies qui produisaient des fontes à 28% de chrome depuis de nombreuses années, à rechercher d'autres fontes alliées à teneur inférieure en chrome, mais ayant une trempabilité équivalente ou meilleure. Des alliages à 14-18% de chrome contenant du molybdène et, quand nécessaire, du nickel et du cuivre, répondent largement à ces exigences. Ils pouvaient aussi avoir des teneurs en carbone plus élevées et de ce fait une dureté plus grande et une meilleure résistance à l'abrasion que les anciennes fontes à 28% du chrome. Les fonderies ont donc pu convertir leur production, abandonnant la fonte à 28% pour la fonte plus récente à 15% de chrome-molybdène, sans sacrifier les caractéristiques mécaniques et à la résistance à l'abrasion. Deux nuances de fontes à 15% de chrome et 3% de molybdène sont maintenant bien entrées dans les moeurs et sont d'une très grande importance industrielle. La nuance à 2,4 - 2,8% de carbone est utilisée dans l'industrie minière pour des pièces jusqu'à 100 mm d'épaisseur et aussi pour des cylindres de broyage et des marteaux de broyeurs. FONTE 15-3


La fonte 15-3 est une fonte blanche martensitique fortement alliée qui possède à la fois une excellente résistance à l'abrasion et une bonne ténacité. En raison de sa ténacité relativement bonne, le 15-3 peut se comporter de manière satisfaisante sous des chocs modérés, dans des cas où les fontes blanches faiblement alliées ne sauraient convenir à cause de leur propension à la rupture. Les teneurs en carbone, en chrome et en molybdène du 15-3 sont calculées de façon à produire des carbures durs du type (Cr, Fe)7 C3, avec probablement du molybdène et d'autres éléments en solution - dans une matrice de martensite et d'austénite résiduelle. Avec une teneur en chrome allant de 14 à 16%, il est possible d'avoir recours à des teneurs en carbone élevées pour améliorer la résistance à l'abrasion tout en évitant la formation de carbures grossiers et fragiles qui pourraient affecter la ténacité. Une addition de molybdène donne de très bons résultats et, en évitant la formation de perlite, elle permet d'obtenir une trempe complète qui conduit à une résistance optimale à l'usure. Cette remarque est particulièrement importante pour les pièces de grande section. (tableau 5)

Tableau 5 La composition 15-3 HC possède normalement une meilleure résistance à l'abrasion que les compositions 15-3 MC et 15-3 LC, mais le traitement thermique des pièces de forte section est plus difficile à réaliser si l'on veut éviter la fissuration à la trempe ou la présence indésirable de perlite. Il est donc préférable de réserver l'alliage 15-3 HC pour les moulages ayant une épaisseur maximale égale ou inférieure à 7,5 cm. La nuance 15-3 LC est destinée aux moulages ayant une section d'épaisseur maximale de 12,5 cm ou aux moulages plus minces pour lesquels on désire une ténacité supérieure à celle qu'on peut obtenir avec les matériaux à teneur en carbone élevée. Parmi les applications typiques de la nuance 15-3 LC, citons les blindages de broyeurs à boulets, les couronnes mobiles des pompes à sable de grande dimension et les garnitures de glissières de forte section. TRAITEMENT THERMIQUE Selon les dimensions, le profil et, dans une certaine mesure, l'utilisation finale, les moulages sont traités ou utilisés à l'état brut de coulée. Un certain nombre d'essais effectués sur des sections minces et moyennes ont montré que la résistance à l'usure à l'état brut de coulée est équivalente à celle obtenue après traitement thermique. Dans certaines conditions, cependant, ceci peut être inexact; aussi, lorsqu'il s'agit d'applications nouvelles, il est préférable de procéder à des essais pour déterminer si un traitement thermique est avantageux. En réalité, le traitement thermique a pour but d'homogénéiser la structure car à l'état brut de coulée, il y a des ségrégations de carbures et d'austénite résiduelle qui affectent la résistance à l'usure. Pour des sections plus fortes, d'épaisseur supérieure à environ 4 cm, le 15-3 refroidi lentement dans le moule présente normalement une quantité importante de perlite et de bainite. Un traitement thermique est donc nécessaire pour obtenir la structure désirée. Ce traitement consiste en un chauffage lent jusqu'à 950° - 1010°C à raison d'environ 25 minutes par cm d'épaisseur, suivi d'un refroidissement à l'air calme ou dans un léger courant d'air à température ambiante. Les basses températures d'austénitisation permettent d'obtenir les duretés les plus élevées, alors que les températures élevées donnent des structures contenant plus d'austénite résiduelle et moins de carbures non-dissous. L'austénitisation aux températures élevées permet aussi, en général, d'obtenir la meilleure résistance à l'abrasion pour la plupart des utilisations. Le refroidissement a lieu


normalement à l'air, cependant les moulages de petite dimension et de forme régulière peuvent être trempés à l'huile. La dureté du 15-3 traité n'est pratiquement pas diminuée par revenu jusqu'à 430° C. Le 15-3 à l'état brut de coulée contient des quantités importantes d'austénite résiduelle, de sorte qu'un revenu à 650° C augmente effectivement la dureté. Il est probable que la dureté maximale serait obtenue à une température de revenu légèrement inférieure, voisine de 540°C (tableau 6).

Tableau 6 Pour les moulages dont les tolérances dimensionnelles sont faibles et qui doivent être usinés avant traitement, les dimensions ne sont que peu ou pas modifiées par le traitement thermique. STRUCTURE L'excellente résistance à l'abrasion du 15-3 est due principalement à des carbures très durs, du type (Cr, Fe)7 C3, bien dispersés dans une matrice de martensite et d'austénite résiduelle. Etant donné que les carbures sont bien encastrés dans la matrice, la ténacité du 15-3 est plus élevée que celle des fontes blanches, alliées ou non-alliées, dans lesquelles les carbures du type Fe3C forment une phase continue. En général, l'état brut de moulage présente une plus grande quantité d'austénite résiduelle que l'état traité. Cette austénite est relativement douce et apporte une certaine ductilité; cependant, elle durcit rapidement en service, même dans des conditions d'abrasion légère ce qui peut contribuer à l'augmentation de la dégradation par microégrènement. Par exemple, la dureté initiale de boulets de broyage est passée de 54 à 66 HRC après utilisation. Pour obtenir une meilleure résistance à l'abrasion, la bainite et la perlite doivent être éliminées. Leur présence en quantités importantes (plus de 10% environ) indique que la composition ne se situe pas dans les limites prescrites ou que la vitesse de refroidissement, après solidification ou durant le traitement thermique, était trop lente. Applications : - pièces jusqu'à 100 mm d'épaisseur, - cylindre de broyage, - marteaux de broyage, - blindages de broyeurs. 5. LES SUPERALLIAGES NON FERREUX Dans de nombreux procédés industriels, les matériaux métalliques sont soumis à des atmosphères très agressives, par suite de la superposition de phénomènes de corrosion et d'érosion à hautes températures. De telles conditions sont notamment rencontrées dans les installations de gazéification


du charbon en lit fluidisé, dans les systèmes anti-pollution, en pétrochimie et dans les moteurs thermiques. L'érosion qui se combine à la corrosion peut entraîner des dégradations catastrophiques des matériaux. Un superalliage est constitué d'une solution solide à base de nickel ou de cobalt avec forte teneur en éléments d'addition dont la structure est austénitique. Ces éléments d'addition provoquent un durcissement par insertion en solution solide et précipitation de phases intermétalliques ainsi que la formation d'oxydes protecteurs. Les propriétés obtenues résultent de leur microstructure qui dépend de leur composition mais aussi, dans une très large mesure, des procédés d'élaboration, de mise en forme et des traitements thermomécaniques appliqués. On classe traditionnellement ces alliages selon deux critères, l'un fait référence à la base de l'alliage nickel, cobalt, l'autre aux procédés de mise en forme-alliages forgés ou coulés. 5.1 LES SUPERALLIAGES DE NICKEL Les superalliages à base de nickel sont les plus utilisés lorsque des risques de corrosion sont très importants, il en existe plus d'une centaine de compositions différentes. La matrice de ces alliages est de structure cubique à faces centrées (austénite γ); on peut en améliorer la résistance par l'addition d'éléments en solution solide (Sr, Mo, W, CO .etc), car ces éléments diminuent la mobilité des dislocations. Ces superalliages contiennent toujours, en proportion souvent importante (jusqu'à 60%), une phase intermétallique γ', Ni3 (Al, Ti), obtenue par un traitement de mise en solution suivi d'un vieillissement. Cette phase γ', très dure, est de structure ordonnée cubique à faces centrées ; elle est cohérente avec la matrice mais, puisque son paramètre réticulaire est légèrement différent de celui de la matrice, cela entraîne l'apparition de contraintes d'interfaces importantes. Ces précipités, très fins(de 5 à 300nm), ont une forme cubique. Quand la fraction volumique de la phase γ' est importante, il y a augmentation de la résistance mécanique de l'alliage à partir de 700°C. La tenue en température de ces alliages est limitée par le phénomène de coalescence des précipités γ' et par leur instabilité, il se produit une chute rapide des caractéristiques de fluage vers 1000°C, car les dislocations franchissent facilement la barrière constituée par les précipités coalescés. Outre la phase γ', les superalliages à base de nickel contiennent également des carbures ; leur teneur en carbone peut atteindre 0,2% pour les alliages corroyés et 0,6% pour les alliages de fonderie. Les carbures se forment dans la matrice, mais également aux joints de grains qui sont ainsi bloqués lors du fluage et évite que leur décohésion ne se produise. Il faut toutefois éviter que les carbures ne forment un réseau continu aux joints de grains, car cela entraînerait une diminution de la ténacité. Par ailleurs, la précipitation continue de carbures aux joints de grains perturbe la formation des phases intermétalliques γ' à leur voisinage, entrainant par là même un cisaillement plus facile de ces zônes. De plus, leur forte teneur en chrome et en aluminium, qui provoque la formation d'oxyde protecteur stable, explique leur excellent comportement à la corrosion et à l'oxydation à haute température. Par ailleurs, les caractéristiques mécaniques au dessus de 600°C nettement supérieures à celles des aciers de structure martensitique justifient le choix de ces matériaux pour les problèmes d'érosion à chaud. Inconel 700 - Ni: reste - Mo: 3,8% - Co: 28,5% - C: 0,12% - Cr: 15% - Al: 3% - Fe: 9% - Ti: 2,2% 5.2. LES SUPERALLIAGES A BASE DE COBALT Le cobalt et ses alliages sont extrêmement résistants aux différentes formes d'usure dans une haute plage de température Quelques alliages à base de cobalt ont été principalement développés, offrant une résistance élevée à l'abrasion. L'alliage le plus couramment utilisé est la nuance stellite 6B qui présente également d'excellentes résistances à l'érosion, bonnes à la corrosion et à l'oxydation à chaud. Stellite 6B Stellite 6K


- Ni: 3% - Ni: 3% - Co: Reste - Co: Reste - Cr: 30% - Cr: 30% - Mo: ≅1,5% - Mo: ≅1,5% - W: ≅4,5% - W: ≅4,5% - Fe: 3% - Fe: 3% - Si: 2% - Si: 2% - Mn: 2% - Mn: 2% - C: 1,2% - C: 1,7% Les microstructures à base de Cobalt sont constituées d'une matrice de structure CFC renforcées par des solutions solides de chrome (20 à 30%), de tungstène (≅ 5) et de nickel; on y retrouve également divers autres éléments (Nb, Fe, Mo, Ta). La teneur en carbone pouvant atteindre 1,7%, il se produit une dispersion importante de divers carbures riches en chrome. Ces carbures se forment aux joints et à l'intérieur des grains, ce qui réduit les déformations dues au fluage. La résistance à la corrosion due aux gaz de combustion est accrue. La résistance à l'abrasion sous de faibles contraintes augmente avec l'élévation de la teneur en carbone alors que sous de fortes contraintes, celle-ci est moins influente. Ces propriétés sont particulièrement intéressantes pour les équipements des procédés chimiques et alimentaires. Par ailleurs, ces alliages sont moins sensibles à la surchauffe que les alliages à base de nickel. Applications : - pièces de vannes, - vis d'alimentation, - plaques d'usure et roulements, - aubes de turbines. On les utilise largement pour la fabrication de pièces soumises à des niveaux de contraintes bas pendant de longues périodes mais à des températures très élevées (entre 800°C et 1200°C), comme les vannes de turbines. Hastelloy N°25 - Ni: 10% - Co: Reste - Cr: 20% - W: ≅15% - Fe: 3% - Si: 1% - Mn: 1.5% - C: 0.1% Cet alliage, de mise en oeuvre facile, possède des qualités de grande résistance à la corrosion et à l'usure. Ses qualités de résistance jusqu'à 1040°C sont exceptionnelles. Applications : - équipements de décapage - vis d'extrusion pour PVC - Chambres de combustion 5.3. LES ALLIAGES CuAl (les cuproaluminiums) : Les alliages Cu-Al qui contiennent moins de 9,4% d'aluminium forment une solution solide α, de structure cubique à faces centrées. Ces alliages ont de bonnes propriétés mécaniques, ils sont ductiles


et tenaces, et ils ont une bonne résistance à l'usure et à la fatigue. Grâce à la formation, en surface, d'une couche d'alumine, ils résistent bien à la corrosion en atmosphères industrielles et marines. Pour de plus fortes teneurs en aluminium, il y a, au dessus de 565°C, apparition de la phase β. Cette phase, cubique centrée, est malléable à chaud. A 565°C, la phase β est le siège d'une transformation eutectoïde (β.----> α +γ2) qui donne naissance, comme pour les aciers, à une structure eutectoïde. Dans ce cas-ci toutefois, la phase γ2, composé intermétallique, est dure et fragile, et ce constituant bien qu'il soit dur, a des propriétés médiocres. Cependant, si on refroidit très rapidement la phase β, par trempe à l'eau, elle se transforme en martensite β', de structure hexagonale; mais, contrairement à ce qui se produit pour les aciers, cette martensite est moins dure que l'eutectoïde (on peut néanmoins améliorer la dureté et les propriétés mécaniques de l'alliage par un revenu vers 500°C, ce qui provoque une très fine précipitation de la phase γ2). Les alliages qui contiennent de 10 à 13% d'aluminium sont le siège de ces réactions. On les utilise pour leurs propriétés mécaniques, leur résistance à l'usure et leur bonne résistance à la corrosion. Des additions de fer et de nickel améliorent leur résistance à chaud et leur résistance à la corrosion et à l'oxydation. Applications : - soupapes et sièges de soupapes, - pièces d'usure ou de fatigue, - plaques d'appui.


2. LES CERAMIQUES TECHNIQUES Les propriétés générales des céramiques découlent des propriétés de leurs liaisons chimiques, de leur état (cristallin ou amorphe) et leur microstructure. Les éléments qui entrent dans la composition des céramiques sont liés entre eux par des liaisons fortes, covalentes, ou ioniques (réseaux d'anions et cations). Les cations sont des éléments métalliques qui cèdent leurs électrons périphériques aux anions, dans la majorité des cas, de l'oxygène. Les céramiques sont souvent des oxydes métalliques. Il existe également des composés avec carbures, nitrures et borures pour lesquels les liaisons atomiques sont plutôt covalentes.. Les matériaux céramiques présentent une grande dureté (1000 à 4000 HV) et une faible réactivité chimique. Cependant, les propriétés remarquables, liées à la nature de la liaison ionocovalente qui assure la stabilité de tels édifices s'accompagnent d'une faible ténacité à température ambiante (3 à 7 Mpa √m)et d'un comportement de type fragile. Les déformations sont observées dans ces matériaux que de façon très localisée et sous des états de contrainte compressifs (par exemple lors de la rectification par meulage). Les céramiques sont considérées comme bien adaptées aux applications en environnement hostile du fait de leur résistance à la corrosion, de leur réfractarité, etc... De la même façon, on estime généralement que ces matériaux sont de bons candidats aux applications tribologiques, en raison de leurs propriétés mécaniques sans que pour autant, les corrélations entre résistance à l'usure et caractéristiques mécaniques macroscopiques soient solidement établies. Leur forme d'utilisation peut être massive ou sous forme de revêtement qui représente le cas le plus général. En effet, la plupart des solutions avancées mettent en évidence l'intérêt de ces traitements de surface pour tendre vers des solutions de compromis (matériaux à la fois durs et ductiles).Aussi, le taux d'érosion des dépôts durs dépend des effets simultanés de caractéristiques telles que la composition, la quantité, le type et la morphologie de la phase liante, la taille du grain, le comportement à la fissuration, l'adhérence et autres facteurs qui interagissent dans l'absorption du choc. 1. LES CERAMIQUES MONOLITHIQUES Ces céramiques sont habituellement obtenues par frittage de poudres qui s'obtient par simple activation thermique dans le cas de céramiques oxydes dont les liaisons atomiques sont ioniques. Une réduction complète de la porosité nécessite cependant l'emploi d'une presse isostatique à haute température. Le frittage des céramiques non oxydes dont les liaisons atomiques sont covalentes, carbures de silicium, nitrure de silicium, est plus difficile. Des conditions très élevées de pression et de température sont nécessaires pour obtenir des composants denses de nitrure de silicium (1800°C, 100 à 500 bars).L'utilisation d'additifs de frittage (Magnésie (MgO), oxyde d'Ytrium (Y2O3)) permet, dans le cas de nitrure de silicium, d'opérer à des températures et pressions moindres, mais les produits ainsi obtenus ont une vitesse de déformation en fluage plus élevée au-delà de 1200°C en raison de la formation d'une phase vitreuse aux joints de grains. La réalisation des pièces se fait également par frittage réactif. Les céramiques oxydes sont moins sensibles au milieu environnant à haute température que les céramiques non oxydes. Par contre, en raison de la nature chimique des liaisons atomiques, le comportement en fluage du carbure et du nitrure de silicium est plus satisfaisant à haute température. Il en est de même de leur résistance au choc thermique, en raison notamment d'un plus faible coefficient de dilatation et d'une plus grande conductivité thermique. Ceci explique que les céramiques non oxydes aient été retenues pour la réalisation de composants de turbocompresseurs et de missiles de croisière. 1.1. LES OXYDES


Les oxydes présentent une forte dilatation avec la température, ce qui explique leur mauvaise tenue aux chocs thermiques. 1.1.1 ALUMINE Al2O3: L'alumine connaît plusieurs structures cristallographiques, la forme corindon étant la plus utilisée. L'alumine de très haute pureté trouve des applications intéressantes dans le domaine de l'industrie textile pour différentes pièces frittées, guides de métier à tisser ainsi que dans le domaine de la construction mécanique:joints d'étanchéité, robinetterie, pompes à eau, broyeurs à bille.. Un comportement satisfaisant, vis à vis des fontes à haute teneur en chrome, n'a été observé qu'en l'absence de conditions d'abrasion évitant les impacts de particules sur les surfaces de chute. Composition classique : Al2O3 : 99.9 % + Na2O, Fe2O3, C, SiO2, Cr2O3, MgO, TiO2, Principales caractéristiques : - dureté élevée, - bonne tenue à l'abrasion, - bonne tenue à la corrosion acide, - écran thermique, - biocompatibilité. Principales applications : - broyeurs à bille, - pistons, paliers de pompes, - pompes à eau, - buse de soudage et coupage, - robinetterie, - buses de pulvérisation, - sphères pour prothèses de hanche. On rencontre également l'alumine combinée à d'autres oxydes : - Al2 O3 + Ti O2 (titanate d'aluminium), - Al2 O3 + 2 Si O2 (mullite), - Al2 O3 + 5 Si O2 + 2 MgO (cordiérite). 1.1.2 LA ZIRCONE (ZrO2) La zircone, qui correspond à l'oxyde de zirconium, se trouve dans la nature sous forme de baddeleyite monoclinique relativement pure (80 à 90% en masse) au Brésil. A l'état pur, la zircone présente l'inconvénient de subir avec la température une série de transformations allotropiques (de type martensitique). 2700°C> cubique 2350°C>tétragonale 1170°C> monoclinique. Lors du refroidissement, la transformation tétragonale - monoclinique s'accompagne d'une augmentation de volume de 5 à 9%. Lors de cette dilatation, on a création de microfissures autour des particules de zircone; cette microfissuration, ainsi créée, peut renforcer le matériau car la fissure principale est déviée, ce qui augmente la résistance à la rupture. Si par contre, cette microfissuration est totale, la conséquence est catastrophique puisque cela conduit à la fragmentation de toutes pièces massives en Zr O2 pure. Aussi a-t-on cherché à limiter et empêcher cette dernière transformation en utilisant des ajouts qui stabilisent totalement ou partiellement la phase cubique quelle que soit la température. L'oxyde de


zirconium commercial, stabilisé avec de la chaux (CaO) ou MgO est en fait composé d'un mélange de solutions de structure tétragonale et cubique. Principales caractéristiques : - très faible conductivité thermique, - bonne tenue à la température, - bonne tenue au frottement, - bonne stabilité chimique, - bonne tenue à la rupture et à la fissuration, - très faible conductivité électrique à haute température (>1400°C), - peu de mouillage par les métaux fondus. Principales applications : - chambre de combustion de turbine, - filières d'extrusion à chaud, - goulotte et coquille de fonderie, - outils de découpe, - creuset pour fusion des métaux spéciaux. 1.1.3 ZIRCONE PARTIELLEMENT STABILISEE (PSZ) A la recherche d'une ténacité améliorée, les céramistes se sont tournés vers l'introduction d'une seconde phase qui constitue un frein à la propagation des fissures. On utilise la seconde phase pour dévier la fissure ou bien la freiner en mettant la matrice sous contrainte. Ces ajouts sont généralement soit MgO ou CaO soit un oxyde de lanthanide (Y2 O3, Ce O2...), on a alors un renforcement de la zircone par transformation allotropique, de type martensitique comme pour les aciers. Ce dernier a pour effet de freiner la propagation d'une fissure dans le matériau par absorption de l'énergie de transformation ou par mise en compression du front de fissure ou bien encore par microfissuration. Au cours de la transition tétragonale - monoclinique, les grains de zircone augmentent donc de volume et de ce fait il se produit un resserrement des lèvres de la fissure; pour que la fissure s'agrandisse, il faudra fournir un travail supplémentaire qui aura pour conséquence d'augmenter la ténacité et la résistance de la zircone. Ces matériaux possèdent alors d'excellentes propriétés à température ambiante : la contrainte à rupture peut atteindre 1500MN /m2 et KIc être de l'ordre de 10 MPa√m. Applications : - moteurs, - tréfilage, - textile, - papeterie, - couteaux et ciseaux. 1.2 LES CARBURES 1.2.1 CARBURE DE SILICIUM SiC:

Le carbure de silicium est un produit de synthèse obtenu à haute température (2200 à 2500°C) en four électrique. Industriellement, il est fabriqué à partir d'un mélange de coke en poudre, de sable quartzeux et de sciure contenant du chlorure de sodium. Il existe trois techniques pour élaborer ce matériau : Certains auteurs ont montré qu'il était possible de densifier la poudre SiC par frittage naturel à l'aide de faibles ajouts de bore et de carbone. Les additions de ces éléments permettent le frittage du SiC à des températures excédant 2000°C.


Cette évolution a permis au carbure de silicium de prendre sa place parmi les meilleures céramiques et ce pour un coût acceptable. Le carbure de silicium possède deux structures cristallines principales : - la structure hexagonale dite SiC α, - la structure cubique dite SiC β. La première à se produire est la structure SiC β stable jusqu'à 2200°C puis se transformant en phase SiC α hexagonale. Le carbure de silicium a le défaut de s'oxyder, ce qui limite l'emploi, notamment en atmosphère oxydante. L'oxydation du SiC entraîne la formation de cristoballite et de silicium amorphe en provoquant une augmentation de volume qui peut détruire la pièce. Le contrôle de la microstructure demeure donc le problème essentiel à maîtriser. En effet, la phase β et certains polytypes de la phase α ne demandent qu'à se transformer aux températures voisines de celles du frittage (2050°C) et donner ainsi lieu à une croissance très exagérée des grains; partant de particules de l'ordre de 3 microns on peut arriver à des grains développés en plaquettes sur plusieurs mm. Ce grossissement des grains influe sur la tenue mécanique, celle-ci étant particulièrement pénalisée à température élevée. Les joints de grains constituent dés lors les zones de faiblesses le long desquelles la fissure peut progresser sans trouver d'obstacles. Le carbure de silicium peut également s'élaborer par frittage réaction (RBSC) à partir d'un mélange de poudre SiC α et de graphite (ou liant du type BRAI de goudron) et d'un plastifiant, mis en forme par voie plastique (extrudé, injecté, pressé).Le liant est pyrolisé et le corps poreux constitué de SiC et de carbone est infiltré de silicium liquide qui réagit avec ce dernier pour former SiC. La structure du matériau se caractérise par un squelette de SiC α lié par des cristallites de SiC β secondaires et par du silicium libre en excès.L'avantage du frittage-réaction est qu'il se fait sans retrait : il permet donc d'assurer un meilleur contrôle dimensionnel. L'utilisation de ce matériau est cependant limitée par la fusion du silicium (1410°C). Malheureusement, il subsiste une porosité notable( 15%) qui limite la charge à la rupture. Une troisième technique, le frittage sous charge (HPSC) c'est à dire sous pression conduit à des produits denses aux bonnes propriétés mécaniques. Cependant, cette technique est coûteuse et contraignante quant aux géométries possibles des pièces. Principales caractéristiques : - excellente résistance aux agents chimiques, - conductivité thermique proche de celle des alliages d'aluminium, - grande dureté, - très bonne résistance aux chocs thermiques, - très bonne tenue au frottement, - très bonne tenue à l'érosion. Principales applications : - pièces d'usure et de frottement, - échangeurs thermiques, - corps de pompes pour véhiculer des produits corrosifs, - blindages. - paliers, tubes, buses de sablage, brûleurs. 1.2.2 CARBURE DE BORE (B4C)


L'extrême dureté du carbure de bore le fait choisir pour les pièces soumises à une érosion très violente, son faible poids le prédispose à une utilisation comme matériau de blindage dans des applications militaires. Principales caractéristiques : - module élevé, - bonne résistance à la rupture et à l'écrasement même à haute température - très grande dureté, - masse spécifique faible, - très bonne résistance à l'usure. Principales applications : - utilisation militaire pour les blindages (hélicoptère de combat), - bouclier aux impacts, - buse de sablage, - outils de coupe. 1.3 LES NITRURES Les nitrures sont caractérisés par une liaison chimique à caractère principalement covalent. Dans ce chapitre, nous étudierons tout d'abord les matériaux les plus couramment utilisés à savoir : Si3N4 et BN. 1.3.1 NITRURE DE SILICIUM Si3 N4: Comme le carbure de silicium, le nitrure de silicium peut être élaboré par frittage réaction (RBSN) ou par frittage sous charge (HPSN). Le frittage sous charge ou naturel de Si3 N4 s'effectue en présence d'ajouts de Mg O, Y2 O3, Zr O2. Aux environs de 1700°C, les particules de Si3 N4 α réagissent avec l'ajout et la couche de Si O2 présente initialement, en produisant un silicate fondu dans lequel Si3N4 se dissout et reprécipite sous la forme Si3N4 β .Cette transformation α -->β s'accompagne d'un allongement des grains; les joints de grains se composent d'un silicate ou d'une phase oxynitrure. La nature de l'ajout détermine la composition de la phase intergranulaire : ainsi MgO donne une phase plus fusible que Y2 O3, ce qui se traduit par une chute plus rapide de la tenue mécanique entre 1000°C et 1200°C. Des résistances supérieures à 900 Mpa et constantes jusqu'à 1200°C ont été obtenues à partir d'ajouts de Y2 O3+ Al2 O3. Le nitrure de silicium peut également s'élaborer par frittage réaction, la mise en oeuvre du produit se faisant à partir de poudres de silicium que l'on fait réagir avec une atmosphère azotée à des températures atteignant 1450°C. Le domaine de prédilection du nitrure de silicium est le secteur automobile notamment dans le domaine de la recherche sur les moteurs en céramique. Principales caractéristiques : - faible dilatation thermique, - excellente résistance aux chocs thermiques, - très bonne aptitude au frottement céramique/métal, - grande dureté, - forte ténacité, - faible densité, - excellente tenue aux métaux fondus (Al, Cu, Zn), - très bonne tenue à la corrosion et à l'oxydation. Principales applications :


Sa tenue exceptionnelle aux chocs thermiques associée à sa ténacité élevée même à haute température en font le matériau pour application thermomécanique par excellence (automobile, aéronautique, usinage...). - poussoirs de culbuteur, - rotors de turbo compresseur, - outillage de transformation des métaux, - chambre de précombustion de moteur diesel, - pistons, chemises. 1.3.2 NITRURE DE BORE HEXAGONAL Le nitrure de bore hexagonal est souvent combiné à d'autres céramiques type alumine, nitrure d'aluminium, mullite et présente de bonnes qualités de lubrification solide. Principales caractéristiques : - bonne résistance à l'abrasion, à l'érosion, - bonne résistance aux chocs thermiques, - bonne résistance aux attaques chimiques, - bonne résistance à l'oxydation à chaud, - pas de réaction avec les métaux fondus, excepté le fer. Principales applications : - creuset pour coulée de métal fondu. 1.4 GRAPHITES Le graphite commercial, le plus important, est celui produit synthétiquement à partir du coke de pétrole ou autres résidus de carbone. Le graphite a une structure hexagonale et donc anisotrope : la majorité de ses propriétés varient considérablement selon la direction dans lesquelles on les mesure. C'est le cas du module de YOUNG, du coefficient de dilatation linéique, des conductibilités électrique et thermique, et même du coefficient de frottement. Principales caractéristiques : - bonne conductibilité thermique et bonne tenue à chaud, - bonnes propriétés tribologiques (faible coefficient de frottement et faible usure), - bonne résistance à la corrosion (mis à part l'oxydation à chaud), Principales applications : - palettes pour compresseurs, - creusets et moules, - frottement en ambiance agressive, - pistons pour compteur, - bague d'embrayage, etc.... 2. LES CERAMIQUES MIXTES


2.1 LES SIALONS (Si3 N4-Al2 O3) Les SIALONS (Si3 N4-Al2 O3) sont, comme leur nom l'indique, des composés d'oxynitrures de silicium et d'aluminium; en réalité ce sont des solutions d'alumine dans Si3 N4 . On les définit par leur taux de substitution Si/Al. Leur développement est plus récent et ils s'obtiennent par frittage naturel en utilisant les ajouts Y2 O3 ou MgO comme pour Si3 N4. Les joints de grains sont constitués par une phase complexe, dont on peut modifier la nature cristalline ou vitreuse par un traitement de recristallisation après frittage. Ce matériau réalise une percée spectaculaire dans l'usinage des aciers à base Ni et des fontes en particulier. Il a été montré que la nuance à phase vitreuse répondait le mieux à cette application. Principales caractéristiques : - faible coefficient de dilatation, - très bonne conductibilité thermique et bonne tenue à chaud, - résistance à l'usure moyenne (réactions physico-chimique), Principales applications : - adapté aux opérations d' ébauche d'usinage, - usinage des fontes, - usinage des aciers à base de nickel, 2.2 LES CARBONITRURES DE TITANE (Ti(C,N)) Il faut noter une forte utilisation de Ti(C,N) dans la découpe et la coupe des métaux pour réduire les problèmes d'usure adhésive et d'autre part, le Ti(C,N) utilisé sous la forme de revêtement d'outils est plus performant que le TiN pour l'usinage des aciers à haute résistance. Principales caractéristiques : - dureté importante (3000 HV) - réactivité vis à vis de certains matériaux antagonistes, - faible coefficient de frottement. Principales applications : - protection anti usure, anti friction de pièces mécaniques, d'outils tranchants, d'outils de formage, - protection contre la corrosion, - découpage d'alliages non ferreux. 3. LES REVETEMENTS CERAMIQUES


Pour des raisons économiques et technologiques, certaines céramiques sont utilisées préférentiellement sous la forme de revêtement: Suivant l'épaisseur du revêtement, on peut distinguer deux domaines : - Les revêtements céramiques d'épaisseur 5 à 10 μm réalisés par dépôt en phase vapeur PVD ou

CVD. Une des principales applications étant la protection des outils de coupe par du TiN. - Les revêtements céramiques d'épaisseur de 100 μm au millimètre obtenus par projection à

chaud. Citons par exemple le dépôt de titanate d'aluminium sur des jantes de roues de bicyclette, ou le dépôt de zircone pour barrière thermique sur les têtes de piston et les ailettes de turbine à gaz.

3.1 LES OXYDES 3.1.1 TITANATE D'ALUMINIUM (AL2 TiO5) Principales caractéristiques : - très faible conductivité thermique, - très bonne tenue au frottement sur surfaces diverses, - bonne tenue au frottement de fils et fibres, - bonne tenue à l'abrasion et aux agents chimiques. Principales applications : - pièces textiles, chemises de pompes, - cabestans de tréfilage, pièces pour l'industrie céramique, - tubes pour utilisation en fonderie, - jantes de roues de bicyclette. 3.1.2 OXYDE DE CHROME Cr2 O3 Principales caractéristiques : - bonne résistance à l'abrasion, à l'érosion - bonne résistance aux frottements mécaniques, - bonne résistance à la corrosion, - dureté élevée. Principales applications : - bague d'usure, - portées de joints, - frottement arbre-vérin, - frottement en ambiance agressive, - vis d'extrusion, - meule, - ventilateur d'extraction. 3.2 LES NITRURES


3.2.1 NITRURE DE TITANE Principales caractéristiques : - module élevé, - très grande dureté, - masse spécifique peu élevée, - très bonne résistance à l'abrasion, - bonne conductivité thermique, - bonne conductivité électrique. Principales applications : - paliers de boite de vitesse, - portée de joints, - outils de coupe. 3.3 LES CARBURES 3.3.1 CARBURE DE TITANE Principales caractéristiques : - module élevé, - très grande dureté, - masse spécifique peu élevée, - très bonne résistance à l'abrasion - bonne conductivité thermique. - bonne conductivité électrique. Principales applications : - paliers de boite de vitesse, - portée de joints, - outils de coupe pour les grandes vitesses. 3.3.2 CARBURE DE TUNGSTENE Le carbure de tungstène cristallise dans la structure hexagonale simple. Principales caractéristiques : - module très élevé, - faibles déformations sous contraintes élevées - très grande dureté, - masse spécifique élevée, - très bonne résistance à l'abrasion, - bonne conductivité thermique. Principales applications : - outils de coupe. Le tableau 7 récapitule pour certaines céramiques les différentes utilisations possibles : massive, composite ou revêtement.


Céramique massive

Composite Revêtement

CARBURES SiC B4C TiC WC Cr3 C2, Cr7 C3

+ +

+

+

+ + + +

OXYDES Al2 O3 Zr O2 Cr2 O3

+ +

+

+ + +

NITRURES Si3 Al N BN Ti N

+ + +

+

+

MIXTES SIALON Ti(C,N)

+

+

TABLEAU 7 : PRINCIPAUX COMPOSES POUR CERAMIQUES TECHNIQUES

Vous trouverez dans le tableau 8 les caractéristiques mécaniques des céramiques les plus utilisés dans l'industrie. Ces informations sont données dans un but documentaire et ne constituent aucune garantie légale.


3. LES MATERIAUX DE COUPE Avec l'apparition de nouveaux matériaux à savoir les composites mais aussi les métaux difficilement usinables (Al-Si.), le mode d'usure par abrasion dans l'opération d'usinage a pris une part importante, à côté d'autres mécanismes comme l'adhésion et la diffusion. Il a fallu mettre au point des outils de plus en plus réfractaires et performants , c'est ainsi qu'on est passé des aciers rapides aux carbures de tungstène, aux carbures de titane, aux céramiques, aux diamants polycristallins , aux Nbc. Nous ne traiterons pas dans ce chapitre des aciers rapides, dont la structure est intermédiaire entre celle des aciers alliés et celle des fontes blanches, avec une matrice martensitique revenue et des carbures (10à15%) des éléments d'alliage (W, Mo, V, Cr). 1. LES CERMETS ou CERamiques - METal Les cermets sont constitués en majorité de carbure de tungstène fritté avec du cobalt servant de liant D'autres cermets peuvent être constitués, de façon analogue, de phases dures, par exemple carbure de titane TiC, et de métaux liants : Co ou Ni .Ceux-ci représentent l'essentiel des matériaux pour outil de coupe. Les carbures assurent au matériau sa dureté :résistance à l'usure, et le liant lui confère sa cohésion : résistance au choc. En faisant varier la proportion relative des éléments et la taille des carbures on obtient des produits, ou nuances, de propriétés différentes. Rm : Le carbure de tungstène peut être considéré soit comme une céramique, du fait de sa composition métal/métalloïde, et de ses propriétés mécaniques, soit comme un métal, du fait de sa conduction électronique. 2. LES CERAMIQUES DE COUPE Les céramiques de coupe peuvent être classées en deux grandes familles décrites ci-après. Les céramiques à base d'alumine comprenant : - les céramiques pures de couleur blanche composées en majorité d'alumine Al2 O3 avec des

additions d'autres oxydes métalliques tels que Zr O2 ou Mg O2, - les céramiques mixtes de couleur noire composées d'alumine et de carbures ou de nitrures

métalliques -Al2 O3+TiC, TiN. - les céramiques composites constituées d'une matrice en alumine renforcée par des fibres de

carbure de silicium Al2 O3+SiC. Les céramiques à base de nitrure de silicium comprenant : - les céramiques composées de nitrure de silicium pur Si3 N4. - les céramiques composées de nitrure de silicium et d'oxydes métalliques(les SIALONS) - les céramiques composées de nitrure de silicium, d'oxydes et de carbures métalliques. Tous ces produits sont obtenus par frittage. *la zircone (Zr O2) augmente la capacité de résistance générale et la ténacité à la rupture par une

transformation de phase sous contrainte en service. *le nitrure et le carbure de titane augmentent la conductivité thermique donc contribuent à une

augmentation sensible de la résistance aux chocs thermiques. De plus, l'addition de TiC confère à l'arête de coupe une meilleure tenue mécanique.

*l'évolution des techniques et des recherches dans le domaine du frittage ont conduit à

l'élaboration de nouvelles céramiques de coupe à base de nitrures notamment les sialons qui réalisent une percée spectaculaire dans l'usinage des aciers à base de Ni et des fontes en particulier. Il a été montré que la nuance à phase vitreuse répondait le mieux à cette application.

Caractéristiques principales :


Les grands avantages des céramiques en tant que matériau de coupe résident dans : - leur tenue aux températures élevées, - leur résistance à l'usure, - leur bonne stabilité chimique, - leur résistance à la compression limitant les tendances à la déformation plastique. Ces propriétés permettent d'utiliser des vitesses de coupe 5 à 10 fois supérieures à celles utilisées avec les carbures d'où une productivité élevée. Les propriétés leur confèrent encore d'autres avantages comme la réduction des coûts d'outillage, une meilleure qualité de la pièce usinée sur le plan dimensionnel, l'usinage sans lubrification. Malgré tout, ces avantages sont limités par d'autres inconvénients comme : - la sensibilité aux chocs thermiques, - la sensibilité aux vibrations, - leur fragilité qui ne prédispose pas à travailler aux chocs ou dans des conditions

d'ébauche sévère. Dans la pratique, tous les matériaux peuvent être usinés avec les céramiques, il n'y a que quelques exceptions. L'aluminium, dans lequel la base Al2O3 est chimiquement active, en est une. Les alliages de titane sont aussi des exemples de matériaux à ne pas usiner avec les céramiques à cause de leur tendance à réagir chimiquement et de l'inflammabilité de certains d'entre eux, aux températures d'utilisation, idem pour le magnésium, le béryllium et le zirconium. 3. AUTRES MATERIAUX DE COUPE 3.1 LE NITRURE DE BORE CUBIQUE (NBc) Sous l'effet d'une température élevée, de l'ordre de 1000°C et d'une pression de 5000 à 10000 daN/mm2, le nitrure de bore subit une transformation structurale consistant au passage d'une structure critalline hexagonale à une structure cubique; ceci lui confère une très grande dureté. Sous cette forme il possède une bonne résistance à l'usure à température élevée. Ces propriétés expliquent l'utilisation du nitrure de bore comme matériau de coupe. Sa dureté conservée vers 1000°C permet non seulement de travailler à des vitesses très élevées mais surtout d'usiner des matériaux de duretés supérieures à 55 HRC. aciers trempés, fontes trempées, fontes alliées-NiHard, alliages de revêtement dur, stellite. Le nitrure de bore cubique permet des performances supérieures aux céramiques mais il est de 30 à 40 fois plus cher à l'achat que les céramiques pures et environ 10 fois plus cher que les SIALONS. Si les outils en nitrure de bore sont conseillés pour l'usinage des alliages ferreux, ils ne sont pas recommandés pour les aciers inoxydables, les alliages de nickel, les aciers doux et les alliages cuivreux. Pour une section de copeaux identiques, on a pu remarquer que les efforts de coupe sont inférieurs à ceux rencontrés avec les outils céramiques, mais les forces radiales sont nettement supérieures. 3.2 LE DIAMANT Le diamant constitue une substance particulièrement dure, la plus résistante à l'abrasion, à condition que la compatibilité physico-chimique métal usiné-diamant soit efficace. Il se présente sous les deux formes suivantes : - diamant naturel, taillé suivant une forme définitive choisie en fonction de la

cristallisation de la pierre. - diamant synthétique polycristallin, obtenu par frittage sous haute pression et haute

température d'une couche de particules de diamant, d'épaisseur de 0,7mm environ, sur un substrat en carbure de forme variable. La couche de diamant peut avoir différentes


grosseurs de grains. Le diamant polycristallin est capable de supporter des chocs thermiques et mécaniques que ne peuvent pas supporter les diamants naturels.

Pour des raisons de réactivité chimique entre le fer et le carbone et parce que la température de coupe dépasse souvent sa température limite d'utilisation de 800°C, l'usinage des alliages ferreux est déconseillé avec des outils diamant. Le diamant étant très fragile n'est pas adapté à des opérations avec chocs. Les outils diamant sont donc principalement utilisés pour des opérations de finition ou ébauche légère dans des alliages non ferreux (aluminium, cuivre...). L'application la plus récente est celle de l'usinage des composites plastique- métal et métal- métal. En effet, le grand avantage d'outils durs comme le diamant est de pouvoir utiliser une arête de coupe parfaitement vive, permettant de résister à l'abrasion lors de l'usinage de matériaux à matrice de faible dureté et renforcés de matériaux durs. C'est le cas de composites aluminium- carbures de silicium.


4. LES MATERIAUX COMPOSITES Selon sa classe, chaque type de matériau possède des propriétés et des caractéristiques qui lui sont propres : les métaux sont en général tenaces et ductiles, mais leur masse volumique est souvent trop élevée; les matières plastiques, légères, ont une faible rigidité et des propriétés mécaniques moyennes, et elles sont parfois fragiles; les céramiques quant à elles, ont un module d'Young et une résistance théorique à la traction très élevés, mais elles sont intrinsèquement fragiles. En combinant divers types de matériaux normalement non miscibles, tout en contrôlant leur morphologie et leur répartition, on obtient des matériaux composites, dont les propriétés sont complètement différentes de celles des composants de base. Les matériaux composites constituent donc une famille multiforme dont les stratifiés "fibre de verre -résine époxy " sont les représentants les mieux connus. Cependant, pour ces composites à matrice organique renforcée par fibres, la grande différence de module d'élasticité entre la matrice et le renfort constitue une source potentielle d'endommagement, puisque au cours de l'abrasion les fibres les plus dures, mal supportées par la matrice, peuvent se rompre et se trouver éjectées du matériau. La température maximale d'utilisation des polymères étant peu élevée, et le carbone risquant de s'oxyder à plus de 500°C, il faut parfois envisager d'utiliser des matrices dont l'inertie chimique est meilleure à plus haute température. On distingue les matériaux composites unidirectionnels dans lesquels les fibres sont toutes orientées selon une même direction, des matériaux composites multidirectionnels dans lesquels les fibres peuvent se présenter aléatoirement dans un plan principal ou selon plusieurs directions. 1. LES FIBRES DE RENFORT Les propriétés mécaniques des fibres de renfort exercent une influence primordiale sur les propriétés mécaniques finales du matériau composite. Ces fibres, qui peuvent être d'origine diverse, exigent des procédés de fabrication parfois complexes. Nous nous contenterons de décrire brièvement les principaux matériaux utilisés sous forme de fibres comme renforts dans les matériaux composites. Le tableau 8 retranscrit les propriétés mécaniques de nombreuses fibres végétales, minérales, métalliques et synthétiques. Ces informations sont données dans un but documentaire et ne constituent aucune garantie légale. 1.1 LES FIBRES DE VERRE Ce sont les premiers matériaux de renfort utilisés dans les matériaux composites de première génération. Il faut noter que le module de YOUNG des fibres de verre est voisin de celui de l'aluminium. Leur emploi s'avère donc intéressant lorsqu'on les associe à une matrice dont la rigidité est plus faible (par exemple un polymère). 1.2 LES FIBRES DE POLYMERE Plusieurs polymères naturels peuvent avoir une rigidité élevée (par exemple 100 GPa pour des fibres de cellulose de bois). Par contre, la rigidité de la très grande majorité des polymères synthétiques est faible (1 à 20 GPa). Ce n'est que récemment qu'on a mis au point des fibres de polyamides aromatiques destinées à servir de fibres de renfort, celles ci étant connues sous le nom commercial de KEVLAR. 1.3 LES FIBRES DE CARBONE En général, on fabrique les fibres de carbone en carbonisant des fibres de polymères (polyacrylonitrile), éventuellement tissées ou tressées au préalable. La première étape est une oxydation sous tension à l'air et à une température peu élevée (100 à 200 °C); au cours de cette étape, il se produit une oxydation du polymère et une réticulation sous tension. Après quoi, on obtient du graphite par pyrolise sous tension, en atmosphère neutre ou réductrice, et à des températures comprises entre 1100 et 1500°C. A la fin de cette étape, on obtient des fibres dites " à hautes résistances". Lorsqu'on continue la cuisson en atmosphère neutre ou réductrice et à de plus hautes températures (2500 à 3000°C), la graphitisation se poursuit et un certain degré de recristallisation apparaît, ce qui


entraîne une plus forte orientation préférentielle des cristallites et la production de fibres dites "à haut module". 1.4 LES FIBRES METALLIQUES ET CERAMIQUES Certains métaux (bore, béryllium) ou certains composés (Al2 O3, SiC, Si3 N4, BeO) sont dotés de rigidités spécifiques et d'une résistance spécifique à la rupture très élevées; ce sont d'excellents renforts possibles pour des matériaux composites que l'on peut en fait classer en trois catégories distinctes: les renforts métalliques, les céramiques oxydes et non oxydes . Toutefois, les techniques de fabrication des fibres tirées de tels matériaux sont aujourd'hui encore très onéreuses. Le bore est, actuellement, un des matériaux de renfort les plus prometteurs. A l'état massif, le bore reste très dur et fragile; il est donc possible d'en tirer directement des fils très fins. C'est pourquoi on fabrique les fibres de bore par réduction, sous hydrogène à haute température (1100 °C, d'un halogénure de bore (en général, le BCl 3) et par dépôt du bore ainsi obtenu sur un très mince fil de tungstène (de 10 à 15 microns) de diamètre). Le fil de tungstène est chauffé par effet joule, pour obtenir un dépôt de minuscules cristaux de bore (2 à 3nm) de diamètre. Le diamètre des fibres ainsi produites est compris entre 100 et 200 microns. Ces fibres sont extrêmement rigides et résistantes et leurs propriétés ne sont pas altérées au dessous de 500°C . Au delà, il leur faut ajouter un dépôt de carbure de silicium, de carbure de bore ou de nitrure de bore; ces carbures ou nitrures créent une barrière de diffusion qui atténue, à haute température, leur réactivité importante avec certaines matrices métalliques (Ti, Al). Aujourd'hui, on produit également de telles fibres par dépôt de bore en phase gazeuse sur un fil de carbone. On peut également utiliser le carbure de silicium SiC, de la même manière que le bore, pour produire des fibres très résistantes. On obtient ces fibres par décomposition d'un silane chloré en phase vapeur (par exemple le dimethyldichlorosilane), suivi d'une réticulation classique par oxydation. A ce sujet, l'on peut signaler que Nippon Carbon lance cette année une nouvelle fibre (la Hi-Nicalon) dont le procédé de fabrication légèrement différent permet d'obtenir une meilleure stabilité thermique en diminuant la teneur en oxygène à environ 0,5% en poids. La fibre précurseur polycarbosylane composée de 500 filaments est réticulée par irradiation d'un faisceau d'électrons sous hélium. Par cette technique, le groupe Si-H et le groupe CH2 ou CH3 du polycarbosylane sont liés et polymérisés directement. La fibre subit ensuite un traitement thermique à 1500°c sous argon. Ainsi, la stabilité thermique améliorée de la fibre Hi-Nicalon va permettre des applications de longues durées en milieu oxydant à 1200-1400°c (domaine retenu pour les turbines à gaz). D'autre part, on peut produire des fibres monocristallines d'alumine Al2 O3, assez fines (250 μm de diamètre) qui ont d'excellentes propriétés mécaniques, mais qui sont par contre très sensibles à l'abrasion. Les trichites (whiskers) sont en fait des monocristaux filamentaires qu'on obtient dans des conditions sévèrement contrôlées de température et de pression, par décomposition d'un sel métallique en atmosphère réductrice. Elles possèdent en principe les propriétés mécaniques d'un cristal parfait. Leur longueur peut atteindre quelques millimètres pour un diamètre d'environ un micromètre. Aujourd'hui, on n'utilise les trichites comme renfort dans des matériaux composites qu' à titre expérimental.


Tableau 8


2. LES MATRICES 2.1 LES COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE La demande de matériaux légers et très résistant a poussé le développement de matériaux composites, notamment à matrice métallique pour les matériaux de structure. Les matrices métalliques présentent une tenue intrinsèque très élevée. C'est le cas des pièces frittées en carbures cémentés : matrice liante de cobalt ou nickel, renforcée par de fins carbures - 1 à 10 μm de tungstène, de titane, de niobium, de tantale ou d'oxydes de zirconium utilisées, comme on l'a vu précédemment avec les cermets comme outils de forage, de formage, ou de coupe. Actuellement, d'autres types de composites sont également en voie de développement : - les alliages d'aluminium renforcés par des particules de céramique telles que Si O2, Al2

O3, SiC et d'une manière plus prospective, par des fibres d'acier inoxydable et de carbone, - les alliages ferreux comportant des particules de carbures comme le carbure de tungstène. - d'autres céramiques seraient susceptibles d'être intéressées, Si3N4, B4C, BN. A titre indicatif, les tableaux 9,10,11 regroupent les différents types de composites à matrice métallique utilisés dans l'industrie et leurs applications (29). 2.2 LES COMPOSITES A MATRICE CERAMIQUE Grâce à leurs propriétés intrinsèques (réfractarité, rigidité, résistance et bonne stabilité chimique), les céramiques sont potentiellement des matériaux capables de bien jouer le rôle de matrices dans des matériaux composites; dans ce cas, les fibres de renfort ont principalement pour but d'améliorer la ténacité de telles matrices, ainsi que leur résistance aux chocs thermiques. Les techniques d'incorporation des fibres de renfort aux céramiques doivent tenir compte des procédés de fabrication spécifiques à celles -ci (en particulier le frittage). On extrude la matrice (sous forme de poudres), qui contient un liant et les fibres alignées dans une filière. Le liant durcit, ce qui permet d'assurer une cohésion suffisante de l'extrudat, ainsi que sa manipulation. On fritte ensuite cet extrudat à haute température. On peut également obtenir des matériaux composites in situ par solidification dirigée : matrice de zirconium, d'oxyde d'hafnium contenant des précipités filamentaires de tungstène, ou matrices de Cr2 O3 ou de (Cr,Al)2O3 contenant des précipités filamentaires de chrome ou de molybdène. Enfin, on peut fabriquer des matériaux composites in situ en faisant réagir des fibres de carbone avec du silicium ; on obtient ainsi des matériaux composites à fibres de SiC. On imprègne ces fibres de silicium en phase liquide. On peut également appliquer ce procédé à des matériaux composites à matrice de nitrure de silicium: on dépose par plasma, le silicium sur les fibres (tungstène, carbure de silicium, et on le soumet par la suite à un traitement sous azote, vers 1450°C. La nitruration du silicium se produit avec une augmentation de volume qui favorise la densification du matériau composite. On cherche à produire des interfaces fibres/matrices relativement lâches, pour que la microfissuration puisse intervenir quand la charge devient excessive, ce qui consomme de l'énergie mécanique et évite une rupture de type catastrophique. A titre d'exemple, les composites SiC/SiC arrivent à dépasser 1200°C avec le bénéfice d'une ténacité trois ou quatre supérieure à celle des céramiques monolithiques de SiC. Le contrôle du couplage fibre/matrice peut être réalisé par l'intermédiaire d'un matériau d'interphase placé à l'élaboration entre fibre et matrice. Le plus classique de ces matériaux d'interphase est le pyrocarbone.


Tableau 9 : Composites à fibres métalliques

Tableau 10 : Composites à fibres céramiques oxydes


Tableau 11 : Composites à fibres céramiques non oxydes


5. LES POLYMERES Les polymères possèdent en majorité de faibles caractéristiques de résistance, de dureté et de rigidité. Ce ne sont pas par excellence des matériaux anti-abrasion. Seuls les élastomères trouvent des applications intéressantes dans ce domaine, car leur capacité intrinsèque d'accommodation de la déformation leur permet un comportement viscoélastique réversible très étendu avant que n'apparaissent des écoulements permanents, source d'endommagement des matériaux. Ceux-ci sont notamment utilisés comme matériaux de protection dans des dispositifs utilisant des flux particulaires sous incidence normale dans le cas de l'érosion. Les mécanismes de dégradation font intervenir soit des effets de coupe et de déchirure de la structure, soit des effets localisés de fatigue. 1. LES POLYURETHANNES Les polyuréthannes sont des produits issus de la réaction de polyaddition des isocyanates et polyisocyanates avec les polyols. Les polyuréthannes sont des matériaux très variés selon la nature des matières premières utilisées, par exemple : - un di-isocyanate réagissant avec un di-alcool donne un polymère linéaire thermo-

plastique, - un di-isocyanate réagissant avec un tri-alcool conduit à un polymère tridimensionnel

thermodurcissable. Le terme polyuréthanne recouvre en fait une très grande variété de produits avec des propriétés bien différentes. La rigidité du réseau des chaînes macromoléculaires va dépendre de la longueur des chaînes polyols entre les ponts uréthannes et, par conséquent, du poids moléculaire du polyol qui a servi à la polyaddition. Avec des chaînes courtes, le système est rigide; inversement avec de plus longues chaînes, le produit est plus souple. Caractéristiques principales : - une résistance exceptionnelle à l'abrasion et à la déchirure, - une très bonne résistance chimique (hydrocarbures, huiles), - une très bonne tenue à froid, - une résistance limitée aux ultra violets. Applications : - semelles de chaussures de sport, - embout de skis, - pare - chocs.


2. LES CAOUTCHOUCS Le caoutchouc naturel est extrait d'un latex végétal fourni par un certain nombre de plantes équatoriales dont l'hévéa. Ce latex est une émulsion de 30 à 45% de solides dans l'eau que l'on peut extraire par coagulation au moyen d'acides. Le caoutchouc naturel est un polymère dont le monomère est l'isoprène de formule : CH2 - C - CH=CH2 | CH3 Ce motif peut se reproduire 4 à 6000 fois formant ainsi les chaînes polymériques en laissant libres des doubles liaisons. On modifie les propriétés mécaniques des caoutchoucs par réticulation, des atomes de soufre reliant les chaînes entre elles : c'est le procédé appelé vulcanisation. On peut ainsi obtenir une grande variété de propriétés différentes selon les besoins. La vulcanisation améliore généralement les propriétés mécaniques (choc, abrasion) ainsi que la tenue à la chaleur et au vieillissement. Les caoutchoucs de synthèse La consommation des caoutchoucs synthétiques a largement dépassé celle du caoutchouc naturel, l'explication tient dans le fait qu'un caoutchouc synthétique présente généralement une propriété spécifique supérieure à celle du caoutchouc naturel. Applications : - semelle de chaussures, - bandes transporteuses, - pneumatiques, - bandes de portières. 3. LES POLYAMIDES Les polyamides PA sont des polymères semi cristallins qui répondent à la formule générale suivante: HN - (CH2)P - NH - CO - (CH2)m -CO Les principaux types de polyamide sont les suivants : PA66, à base d'acide adipique et d'hexaméthylène diamine-HMDA. PA6, à base de caprolactame. PA11, issu de l'huile de ricin. PA12, à base de lauryl lactame. Caractéristiques principales: Les polyamides sont parmi les thermoplastiques les plus résistants. - très sensibles à l'humidité, - bonnes propriétés à l'endurance en fatigue, - excellentes propriétés de frottement améliorées par addition de lubrifiants solides. Principales applications :


- PA66, enjoliveurs de roue de voitures, pales de ventilateurs, attache de rail pour TGV, chaussures de ski, roulettes de patins

- PA11, dessus de ski.etc... 4. LES POLYACETALS Les polyacétals-POM- sont des thermoplastiques cristallins dérivés du formaldéhyde -HCHO. Le terme "polyacétal" désigne en fait les deux produits suivants : - l'homopolymère du formaldéhyde, encore appelé polyformol ou polyoxyméthylène, - le copolymère du trioxane (trimère cyclique du formaldéhyde) et de l'oxyde d'éthylène, - l'homopolymère a pour formule chimique: CH2 - COO - (CH2 - O -CH2)n -OCO - CH2 - le copolymère a pour formule chimique: (CH2 - O -CH2)n -( CH2 - CH2)p Rm : des polyacétals modifiés au polytetrafluoro-éthylène -PTFE - ou au bisulfure de molybdène ont été développes afin d'améliorer encore le coefficient de frottement et la résistance à l'abrasion. Caractéristiques principales : - grande résistance à la traction et rigidité élevée, - hauts modules de traction et de flexion, - excellente résistance à la fatigue, - faible coefficient de frottement, - excellente résistance à l'usure, - bonne résistance aux chocs. Applications : - pales de ventilateurs, - engrenages, - paliers et cames. 5. LES POLYMERES FLUORES Les polymères fluorés sont globalement issus des polymères classiques en substituant par le fluor un certain nombre d'atomes d'hydrogène, voire la totalité. L'intérêt de cette opération réside dans l'amélioration de certaines caractéristiques. Elle est due à plusieurs facteurs : - solidité de la liaison carbone-fluor, - renforcement des liaisons carbone -carbone due à la présence du fluor, - taille de l'atome de fluor (plus du double de celui d'hydrogène) exerçant ainsi un effet

d'écran autour de la chaîne. C'est ainsi que les résistances chimiques et thermiques sont très nettement supérieures à celles des polymères traditionnels. Les polymères fluorés se répartissent en deux classes : - les homopolymères du tetrafluoréthylène,


- les thermoplastiques fluorés. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux homopolymères du tetrafluorethylène (PTFE ou téflon). Principales caractéristiques : - très haute température de fusion, - bonne résistance au choc même à froid, - très faible coefficient de frottement, - bonne résistance au feu. Principales applications : - paliers, coussinets, glissières, - revêtement de trémies ou de goulottes d'alimentation, - rouleaux pour l'industrie papetière ou textile.


CONCLUSIONS Les considérations précédentes démontrent qu'il n'existe pas un matériau unique comme solution de tous les problèmes d'usure. Le choix d'un matériau résistant à l'usure demande le plus souvent un compromis entre des exigences partiellement contradictoires, comme la dureté et l'aptitude à l'écrouissage d'une part et la résistance à la propagation de fissures d'autre part. S'ajoutent encore d'autres exigences comme l'usinabilité et surtout l'aspect économique. En considérant l'aspect économique il convient d'examiner avec soin si le choix d'un matériau plus coûteux, en tenant compte de la durée de vie, des coûts induits par les arrêts pour remplacement et réparation n'est pas quand même la solution la plus économique pour le problème d'usure posé. Toutefois, des choix définitifs ne sont le plus généralement possibles qu'après étude du comportement à l'usure testé en cas réel. En effet, compte tenu de la complexité des phénomènes de dégradation par usure, des solutions matériaux qui peuvent présenter de l'intérêt pour un type de sollicitations ne pourront être retenues en pratique car ne pouvant satisfaire conjointement à l'ensemble des phénomènes du cas réel.

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l'abrasion (Revue industrie minérale).15/02/74. 17) "Les mécanismes de l'usure et du frottement" par G COLIN Revue Traitement Thermique 208-

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20) "Le rôle du molybdène dans les matériaux résistant à l'abrasion". Climax Molybdenum - 1963. 21) "Rapports des conseillers et attachés scientifiques et techniques-Ministère des Affaires Etrangères DDCSTE-CAST Matériaux 89/90. "Le marché des céramiques techniques au Japon" par Laurent FISCUS (stagiaire de l'ENA). 22) "Des Matériaux" par JM DORLOT, JP BAÏLON, J MASOUNAVE Edition de l'Ecole

Polytechnique de Montréal. 23) "Les céramiques thermomécaniques" par JL CHERMANT. Presse CNRS Plus. 24) "Cobalt- base Alloys resist wear, corrosion and heat" par P CROOK. Advanced Materials & Processes 4/94 25) "Pratique des matériaux industriels: Les référentiels DUNOD" sous la direction de Michel COLOMBIE. - Matériaux résistants à l'usure par Michel Cartier, - Polyuréthanne par JP Machon, Brigitte Seguela,René Wirth, - Céramiques traditionnelles par Philippe Boch, - Matériaux résistant à l'abrasion par Adrien Magnée. 26) "Treatise on materials science and technology , EROSION, vol 16" Chapître"Erosion caused by solid particle impact" par A.W RUFF, S.M WIEDERHORN 27) "Treatise on materials science and technology ,WEAR, vol 13" Chapître"Erosion caused by impact of solid particules" par GP TILLY 28) Thèse "Comportement à l'érosion par des particules solides d'un alliage de titane TA6V traité par laser.10/10/88" par JP Massoud. 29) Rapport "Composites à matrice métallique (MMC)", Ambassade de France au Japon (juin 95) par Gilles KILIDJIAN.


ANNEXES

1995 endommagement abrasion (1)

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