L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL EST D'ETUDIER L'INTERACTION A CHAUD OUTIL/METAL DURANT LE PERCAGE A CHAUD DE TUBES EN ACIER AU CARBONE ET INOXYDABLE. A CET EFFET, TROIS VOIES DE RECHERCHES ONT ETE ENVISAGEES: - ETUDE METALLURGIQUE D'OUTILS REELS DE PERCAGE PROVENANT DU SECTEUR INDUSTRIEL; - ETUDE DE L'OXYDATION D'UN ACIER 28NCDV10 ET DE L'ADHERENCE DES OXYDES FORMES A L'AIR ET DANS LA VAPEUR D'EAU (AT = 600-850C); - ESSAIS DE FROTTEMENT; - USURE A 1200C. NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE SUR LES OUTILS INDUSTRIELS LA PRESENCE DE MODIFICATIONS STRUCTURALES ET MECANIQUES AFFECTANT LE COMPORTEMENT DE L'OUTIL DURANT LE PERCAGE A CHAUD, PARTICULIEREMENT LORS DU PERCAGE DE L'ACIER Z20C13. POUR L'OXYDATION DE L'ACIER 28NCDV10, ET COMPARATIVEMENT A L'AIR, ON CONSTATE QUE LA VAPEUR D'EAU AVEC L'AUGMENTATION DE LA TEMPERATURE (> 750C) CONTRIBUE A UNE ACCELERATION DE LA CINETIQUE D'OXYDATION. LA MORPHOLOGIE EST MODIFIEE A L'INTERFACE OXYDE/METAL, OU UNE PLUS GRANDE INTERPENETRATION DE L'OXYDE EST REMARQUEE. LES OXYDES FORMES DANS LA VAPEUR D'EAU SONT PLUS ADHERENTS QUE CEUX FORMES DANS L'AIR. L'ADHERENCE EST CEPENDANT DEPENDANTE DE LA PRESSION DE VAPEUR D'EAU ET DE LA TEMPERATURE D'OXYDATION. L'AUGMENTATION DE CES DEUX PARAMETRES PEUT CONDUIRE A UNE OXYDATION CATASTROPHIQUE DU SUBSTRAT. LES RESULTATS DE FROTTEMENT - USURE A CHAUD MONTRENT QUE L'UTILISATION D'ACIERS PREOXYDES, PARTICULIEREMENT DANS LA VAPEUR D'EAU, CONTRIBUE A LA DIMINUTION DU COEFFICIENT DE FROTTEMENT PAR LA FORMATION D'UN TROISIEME CORPS. LES CERAMIQUES PRESENTENT UN PLUS GRAND COEFFICIENT DE FROTTEMENT QUE L'ACIER 28NCDV 10 OXYDE DANS LA VAPEUR D'EAU

Le mécanisme de dégradation des cylindres de laminoirs qui conduit à la formation de défauts de type incrustations d'oxydes sur les bandes d'aciers inoxydables ferritiques laminées à chaud a dans un premier temps été défini. Cette dégradation procède par abrasion locale du cylindre puis par adhésion de l'acier inoxydable sur celui-ci lorsqu'un contact métal-métal se produit. Des essais de simulation, à l'aide d'une machine de frottement à chaud, ont permis d'étudier et de préciser ces mécanismes et de mieux comprendre les interactions entre les produits chauds et les outils, le rôle des oxydes présents dans le contact a en particulier été abordé. Pour mener à bien cette étude, la nature et la structure des oxydes susceptibles de se former sur les matériaux antagonistes ont été déterminés sur des échantillons oxydés au laboratoire. L'adhérence de ces couches d'oxydes a de plus été mesurée à l'aide d'une micro-machine de traction. La connaissance de l'ensemble des éléments présents au niveau du contact a permis l'interprétation des tests de frottement à chaud. Nous avons montré que les oxydes formés sur les aciers inoxydables ont des compositions voisines pour des temps d'oxydation aussi courts (inférieurs à deux minutes) et l'adhérence des couches d'oxydes devient un facteur primordial. Ainsi, les aciers comportant des couches d'oxydes peu adhérentes ont des comportements au frottement supérieur à ceux dont les oxydes ne se décollent pas. La présence d'oxyde au niveau du contact permet la formation d'un troisième corps dont dépend le frottement. En fait, indépendamment de la provenance des oxydes, produit chaud, outil... C'est surtout leur nature et leur structure qui sont déterminantes. Les oxydes de fer de structure cubique, wustite et magnétite, de faible dureté, favorisent le frottement. A l'inverse, les oxydes durs, de structure rhomboédrique comme l'hématite ou la chromite se comportent comme des matériaux abrasifs.

Les cermets, nommés M(p)-CMC(s), « Ceramic Matrix Composite dispersed with Metallic Particles », sont prometteurs dans les applications à haute température. Un cermet modèle (304L-YSZ) constitué de 40 % vol. de particules d'acier inoxydable 304L dispersées dans une matrice de zircone partiellement stabilisée à l'yttrium a été préparé par métallurgie des poudres. Les cermets sont homogènes et possèdent une densité voisine de 97 % par rapport à la densité théorique. Une étude cinétique basée sur l'hypothèse de l'étape limitante, a été réalisée afin de proposer un mécanisme et un modèle d'oxydation du cermet. Dans un premier temps, l'oxydation de la poudre d'acier inoxydable a été étudiée sous oxygène à 800 °C. Les expériences d'oxydation sous He (80 %)-O2 (20 %) ont été conduites par thermogravimétrie. Conformément à la littérature, la cinétique d'oxydation de la poudre suit un régime de diffusion. Une couche d'oxyde à base de chrome à croissance externe est observée.En revanche, la cinétique d'oxydation du cermet modèle est différente de celle de la poudre de 304L. Un fort gain de masse est observé dès l'introduction de l'oxygène au début du palier isotherme. Pendant le palier isobare, la prise de masse est lente et n'est pas régie par la diffusion. La caractérisation des cermets oxydés montre que des nodules riches en chrome apparaissent tout d'abord à l'intérieur du métal. Puis une couche d'oxyde à base de chrome et de fer se forme par croissance externe. La matrice de zircone ne limite pas la diffusion de l'oxygène vers le métal. Elle se fissure sous l'action des contraintes mécaniques induites par le changement de volume des particules de 304L pendant l'oxydation.

DEPUIS QUELQUES ANNEES, IL A ETE CONSTATE QUE LA MOINDRE IMPERFECTION, CHIMIQUE OU CRISTALLOGRAPHIQUE, POUVAIT ALTERER D'UNE FACON IMPORTANTE LA CORROSION A HAUTE TEMPERATURE DES MATERIAUX. DANS LE BUT D'EXLIQUER CES PHENOMENES, NOUS AVONS DONC ENTREPRIS DE DETERMINER L'INFLUENCE DES ELEMENTS MINEURS, PLUS PARTICULIEREMENT DU CARBONE ET DU MANGANESE LORS DE L'OXYDATION DU FER CONSIDERE COMME SYSTEME MODELE. LES RESULTATS MONTRENT UN EFFET IMPORTANT DU CARBONE ET DE L'ASSOCIATION MANGANESE-CARBONE SUR LES MECANISMES D'OXYDATION : ? LE CARBONE PROVOQUE LE RALENTISSEMENT DES CINETIQUES DE REACTION ET LE DECOLLEMENT DES COUCHES D'OXYDE DE FER. CECI EST DU AU FAIT QUE LE CARBONE EST TRES PEU SOLUBLE DANS LES OXYDES DE FER ET S'ACCUMULE PROGRESSIVEMENT A L'INTERFACE OXYDE/METAL. LA SEGREGATION DU CARBONE ET DES CARBURES EST CEPENDANT ANNIHILEE PAR L'ADDITION D'YTTRIUM, SOIT PAR DEPOT SOL-GEL, SOIT PAR IMPLANTATION INONIQUE, CE QUI AMELIORE L'ADHERENCE DES COUCHES D'OXYDE. ? LE DECOLLEMENT DES COUCHES EST ACCENTUE LORSQUE LE CARBONE EST ASSOCIE AU MANGANESE. LES CARBURES ALLIES AU MANGANESE DE TYPE (FE,MN)#3C SONT VRAISEMBLABLEMENT A L'ORIGINE DE CE PHENOMENE. ? L'EFFET NEFASTE DES CARBURES ALLIES AU MANGANESE A EGALEMENT ETE OBSERVE LORSQUE QU'UN DEPOT DE CERIUM DE TYPE SOL-GEL EST APPLIQUE A LA SURFACE DE L'ACIER. AU LIEU D'AVOIR UNE INCORPORATION HOMOGENE DU CERIUM PAR FORMATION DE CEFEO#3 A L'INTERIEUR DE LA COUCHE DE WUSTITE (CAS DU FER PUR ET DES ALLIAGES FEC ET FEMN), LE CERIUM RESTE EN SURFACE SOUS SA FORME D'ORIGINE CEO#2. D'AUTRE PART, L'ADDITION D'YTTRIUM A LA SURFACE D'ACIERS AU MANGANESE A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE DES INTERACTIONS ENTRE IMPURETE (MN) ET ELEMENT ACTIF (Y). ? LE MANGANESE SE COMBINE PREFERENTIELLEMENT A L'YTTRIUM POUR FORMER UNE COUCHE DE YMNO#3 AUX PROPRIETES PROTECTRICES. EN L'ABSENCE DE MANGANESE, L'YTTRIUM SE COMBINE AU FER POUR DONNER L'OXYDE MIXTE FE#2O#4 LIMITANT LA DIFFUSION EXTERNE DU FER.

LA VAPEUR D'EAU EST CONNUE POUR MODIFIER LE COMPORTEMENT A HAUTE TEMPERATURE DE NOMBREUX MATERIAUX, EN PARTICULIER DES ACIERS INOXYDABLES. SA PRESENCE DANS LES ATMOSPHERES OXYDANTES SE MANIFESTE PAR UNE AUGMENTATION SOUDAINE DE LEUR VITESSE D'OXYDATION CORRESPONDANT A LA FORMATION D'OXYDES DE FER SUR LA SURFACE. LE PRESENT TRAVAIL VISE A COMPRENDRE LES MECANISMES DE CETTE PERTE DE PASSIVITE SUITE A LA NUCLEATION ET LA CROISSANCE DE CES OXYDES. LES MECANISMES DE L'OXYDATION SONT ETUDIES PAR ANALYSE THERMOGRAVIMETRIQUE PUIS CARACTERISATION DES COUCHES D'OXYDE FORMEES. CE TRAVAIL PRESENTE TOUT D'ABORD L'OXYDATION A HAUTE TEMPERATURE DU CHROME PUR, EN TANT QUE MATERIAU MODELE, ET L'INFLUENCE DE LA VAPEUR D'EAU SUR LE MECANISME DE CROISSANCE DE SON OXYDE CR 2O 3. LES ACIERS FERRITIQUES CHOISIS SONT ENSUITE ETUDIES AU REGARD DES RESULTATS OBTENUS POUR LE CHROME. LES DIFFERENTS MECANISMES PROPOSES DANS LA LITTERATURE POUR EXPLIQUER L'OXYDATION CATASTROPHIQUE EN PRESENCE DE VAPEUR D'EAU SONT DISCUTES, ET UN MECANISME ORIGINAL EST PROPOSE, QUI DECRIT BIEN LES RESULTATS EXPERIMENTAUX OBTENUS SUR LES DEUX SYSTEMES (CHROME ET ACIER). CELUI-CI FAIT INTERVENIR LE TRANSPORT DES IONS HYDROXYDE A TRAVERS LA COUCHE PROTECTRICE DE CR 2O 3 ET LEUR DECOMPOSITION A L'INTERFACE METAL/OXYDE. LE ROLE DES ELEMENTS D'ALLIAGE, CHROME ET SILICIUM, DE L'ACIER EST ENFIN DISCUTE A LA LUMIERE DES MECANISMES DETERMINES PRECEDEMMENT.

L'OBJECTIF DU TRAVAIL PRESENTE ICI EST D'AUGMENTER, PAR UN TRAITEMENT DE SURFACE, LA TENUE A L'OXYDATION A TEMPERATURE ELEVEE ET LA DURETE D'ACIERS FERRITIQUES FAIBLEMENT ALLIES. NOUS PRESENTONS LES RESULTATS OBTENUS AVEC LES ACIERS 35NCD16 ET Z38CDV5 PAR IRRADIATION LASER ASSURANT L'INCORPORATION SUPERFICIELLE ET LA DISSOLUTION DE PREDEPOTS DE NITRURES (ALN, SI#3N#4) OU DE CARBURES (SIC, CR#3C#2). NOUS PRECISIONS LES CONDITIONS D'OBTENTION D'ALLIAGES DE SURFACE EXEMPTS DE FISSURES, D'AMAS OU DE POROSITES. LA DURETE DE CES ALLIAGES DEPEND PRINCIPALEMENT DE LA FORMATION DE MARTENSITE ET (OU) DE LA PRECIPITATION DE CARBURES OU DE NITRURES. L'EXCELLENTE TENUE A L'OXYDATION EN CONDITIONS ISOTHERMES JUSQU'A 950C DE QUELQUES ALLIAGES DE SURFACE DANS UNE ATMOSPHERE D'OXYGENE RESULTE ESSENTIELLEMENT DE LA FORMATION D'UNE COUCHE D'OXYDE DE CHROME CR#2O#3. DANS LES ALLIAGES CONTENANT DU SILICIUM ET RELATIVEMENT PEU DE CHROME, LA CROISSANCE DE CETTE COUCHE DE CR#2O#3 N'INTERVIENT QU'APRES CELLE, INITIALE, D'UNE TRES MINCE PELLICULE DE SILICE QUI INHIBE L'OXYDATION DU FER ET REND POSSIBLE LE DEVELOPPEMENT DE LA COUCHE PROTECTRICE DE CR#2O#3. LE BON COMPORTEMENT EN CYCLAGE THERMIQUE DES ALLIAGES DE SURFACE ETUDIEES SUR L'ACIER Z38CDV5 RESULTERAIT DE LA CROISSANCE DE CR#2O#3 PAR DIFFUSION ANIONIQUE. LA PETITE TAILLE DE GRAINS DE CET OXYDE PERMETTRAIT UNE BONNE RELAXATION DE CONTRAINTES THERMIQUES PAR DEFORMATION PLASTIQUE. NOUS AVONS DONC MONTRE QUE LE TRAITEMENT LASER AVEC AJOUT PEUT CONSTITUER UN PROCEDE EFFICACE POUR CONFERER AUX ACIERS PEU ALLIES UN COMPORTEMENT EN OXYDATION A HAUTE TEMPERATURE TOUT A FAIT COMPARABLE A CELUI DES ACIERS INOXYDABLES AVEC L'AVANTAGE D'UNE DURETE PLUS ELEVEE

NOUS AVONS OXYDE A L'AIR 900, 1000 ET 1100#OC, PENDANT 1, 5, 15 OU 60 MINUTES, DES ECHANTILLONS, POLIS MECANIQUEMENT (PATE DIAMENTEE GRADE 3 MICRONS) OU DECAPES DANS UN MELANGE HCL/HNO#3, D'ACIER INOXYDABLE AUSTENITIQUE AISI 304 18% DE CR, 10% E NI, ENVIRON 2% DE MN): LES OXYDES DEVELOPPES ONT ETE ANALYSES PAR XRD, CEMS, SPECTROSCOPIE DE REFLECTANE (IRFT ET UV-VISIBLE-PIR), SIMS ET MEB. L'OXYDATION D'ECHANTILLONS POLIS COMMENCE PAR L'APPARITION D'UNE COUCHE D'OXYDES DE CHROME (CR#2O#3 ET SPINELLE MNCR#2O#4), SUIVIE PAR LE DEVELOPPEMENT D'OXYDES DE FER. L'OXYDATION D'ECHANTILLONS DECAPES CHIMIQUEMENT CONSISTE UNIQUEMENT EN LA MONTEE D'OXYDES DE FER (ALPHA-FE#2O#3 ET PETITES PARTICULES SUPER PARAMAGNETIQUES DE ALPHA-FE#2O#3 ET UNE MAGNETITE PARTIELLEMENT SUBSTITUEE AU CR-NI). L'OXYDATION PROVOQUE UN APPAUVRISSEMENT EN CR (EN MN) DU SUBSTRAT METALLIQUE ET UNE TRANSFORMATION DE PHASE GAMME (C.F.C.)ALPHA (C.C.) DANS LA MATRICE (PRES DE L'INTERFACE OXYDES-METAL)