Frittage et évolution microstructurale de carbures cémentés NbC-Ni

Sintering behavior and microstructural evolution of NbC-Ni cemented carbides.

• Auteur / Autrice : Mathilde Labonne
• Direction : Jean-Michel Missiaen, Sabine Lay-Dietrich
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Damien Fabrègue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fernando Luis Garcia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hans-Olof Andrén, Jozef Vleugels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydes de niobium

Microstructure (physique)

Frittage (métallurgie)

Mots clés libres

Carbure niobium

Frittage

Microstructure

Niobium carbide

Sintering

Microstructure

Résumé

Depuis plus de 70 ans, les carbures cémentés WC-Co sont utilisés mondialement dans de nombreuses applications telles que l'outillage, les équipements miniers, ou encore les pièces d'usure. Cependant, il a récemment été déterminé que les oxydes de cobalt et de tungstène peuvent présenter des risques pour la santé. De plus, la demande mondiale de tungstène et de cobalt n’a cessé d’augmenter au fil des ans, entrainant de régulières hausses des prix. Ce contexte défavorable encourage les entreprises à développer des matériaux à base de carbures alternatifs. Les carbures de niobium sont notamment de plus en plus envisagés. Bien que possédant une dureté légèrement inférieure à celle des carbures de tungstène, ils sont deux fois moins denses et présentent une excellente résistance à l’usure. De plus, aucun risque pour la santé n’a été identifié pour le niobium métallique, les carbures de niobium ou les oxydes de niobium. Les études précédentes portant sur les matériaux à base de NbC se sont principalement intéressées aux microstructures obtenues et aux propriétés mécaniques, notamment la dureté, la ténacité et les propriétés de résistance à l'usure. Cependant, le frittage et les mécanismes de croissance des grains n'ont pas encore été entièrement étudiés. Cette étude vise à analyser le comportement en frittage et la croissance de grains d’alliages NbC-Ni, ainsi que l’effet de l’ajout de carbures secondaires. Il a dans un premier temps été déterminé que le taux de carbone dans les carbures a un impact significatif sur le frittage et la microstructure. En particulier, l'augmentation du taux de carbone entraîne une diminution de la contiguité de la phase carbure. L'ajout de carbures secondaires entraine un retard du frittage en phase solide, une augmentation de la contiguité de la phase carbure et limite la croissance des grains. Enfin, une partie importante de cette étude porte sur l’étude des mécanismes de croissance. En combinant des théories classiques de croissance et un modèle simplifié, il a été estimé que la cinétique de croissance est contrôlée par une migration coopérative des joints de grains et des joints de phases.

For more than 70 years, WC-Co materials have been used worldwide for numerous applications in tooling, mining equipment or wear parts. Unfortunately, it has been recently determined that the cobalt and tungsten oxides present risks and health issues. Furthermore, the worldwide demand for tungsten and cobalt has been continuously growing, although the mining stocks of both elements are limited, which increased their price over the years. This global context has led industrial companies to investigate alternative carbide based materials. Niobium carbides are increasingly considered to replace tungsten carbides for specific applications. Although those carbides present a slightly lower hardness, they have impressive wear properties and are twice less dense than WC. Furthermore, no particular health hazards were identified for the use of bulk metallic niobium, niobium carbides and niobium oxides. Previous studies of NbC based materials have mostly focused on their microstructures and the resulting mechanical properties, notably the hardness, toughness and wear properties. However, the sintering process of niobium carbide based cemented carbides and the carbide grain growth mechanism involved have not yet been fully investigated. The present study aims to analyze the sintering behavior and grain growth of NbC-Ni materials and the effect of secondary carbides addition. It was first determined that the carbon content has a significant impact on the sintering behavior and the microstructural evolution. Notably, increasing the carbon content decreases the carbide phase contiguity. The addition of secondary carbides leads to a delay of solid state sintering and limits grain growth. The contiguity increases with these additions. Finally, a particular focus was made on grain growth mechanism in such materials. By combining classic growth theories and a simplified model, it was estimated that growth kinetics are controlled by a cooperative migration of grain boundaries and phase boundaries.