Recherche sur la fonte ductile au carbure de tungstène

Research on carbidic austempered ductile iron

• Auteur / Autrice : Penghui Yang
• Direction : Rafik Absi, Hanguang Fu, Rachid Bennacer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique - Cergy
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Beijing University of Chemical Technology (Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Mohammed El Ganaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rafik Absi, Hanguang Fu, Rachid Bennacer, Salah Ramtani, David Bassir
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Salah Ramtani, David Bassir

Mots clés

Mots clés libres

Propriétés

Microstructures

Fonte carbidique austempérée ductile

Properties

Carbidic Austempered Ductile Iron

Microstructures

Résumé

La boule de broyage est l'une des parties importantes du broyeur à boulets. Avec la grande échelle et la grande vitesse du broyeur à boulets, l'exigence de performances complètes pour les boulets de broyage de grand diamètre est encore améliorée. La fonte ductile au carbure austrempé (CADI) est considérée comme un matériau idéal pour le broyage des billes en raison de son excellente résistance à la corrosion, de ses performances de coulée et de son faible coût de production. Cependant, le grand nombre de carbures eutectiques (M3C) répartis au joint de grain, et ces carbures sont reliés les uns aux autres en un réseau, ce qui nuit gravement à la ténacité du CADI.Dans cette thèse, 0,1 % en poids de titane a été ajouté au CADI ordinaire pour améliorer la ténacité aux chocs et la résistance à l'usure du CADI, et le mécanisme de nucléation hétérogène entre TiC et M3C est étudié par calcul et expérimentation. Les résultats montrent que les particules de TiC peuvent précipiter préalablement à la nucléation des carbures eutectiques M3C. La liaison covalente s'est formée sur l'interface, ce qui prouve que M3C(010) et TiC(011) peuvent former une interface stable. L'expérience a montré qu'avec l'ajout de 0,1 % en poids de Ti, des particules de TiC étaient formées et distribuées dans les carbures et la matrice. Après une trempe isotherme à 300 °C, la dureté du CADI à roulement Ti était de 3,5 HRC supérieure à celle du CADI ordinaire, et la ténacité au choc a été augmentée de 14,3 %. De plus, en raison de la diminution de l'exfoliation, la perte d'usure du CADI portant du Ti était de 14,8% inférieure à celle du CADI ordinaire lors du test d'usure du bloc-anneau à la charge de surface de 300 NL'homogénéisation de l'austénite de la fonte ductile carbide austrempé a été étudiée à la fois en thermodynamique et en dynamique par calcul et expérimentation. Les résultats ont indiqué que la fraction massique de carbone dans l'austénite (équilibre stable austénite-graphite) calculée par le logiciel Thermo-Calc était similaire aux résultats analysés quantitativement par sonde électronique. Deux équations de surface des carbures non dissous ont été obtenues par ajustement linéaire. Pour améliorer encore la ténacité aux chocs, un nouveau type de procédé de traitement thermique comprenant un prétraitement à très haute température et un traitement de trempe (traitement S&A) a été utilisé pour traiter la fonte ductile austrempée au carbure (CADI). Le processus de traitement proposé améliore avec succès la ténacité aux chocs et la résistance à l'usure du CADI grâce au remplacement des carbures eutectiques grossiers et de la matrice d'ausferrite grossière par de nombreuses particules précipitées et de l'ausferrite superfine.Sur la base des résultats de la recherche sur la position de nucléation et le taux de croissance de la ferrite aciculaire dans CADI à différentes températures de trempe, différentes teneurs en Cu ont été ajoutées à la fonte ductile austrempée carbure (CADI) pour améliorer la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure corrosive. Les résultats ont montré qu'avec l'ajout d'éléments Cu, l'épaisseur des plaques de ferrite bainitique et la différence de potentiel (ΔUmatix-nodules de graphite et ΔUmatix- carbures) étaient significativement réduites. Les résultats fourniront des conseils théoriques et un soutien expérimental pour l'application de CADI dans une variété d'environnements complexes.

Grinding ball is one of the important parts in the ball mill. With the large-scale and high-speed of the ball mill, the requirement of comprehensive performances for large-diameter grinding balls are further improved. Carbidic austempered ductile iron (CADI) is considered to be an ideal material for grinding balls due to its excellent corrosion resistance, casting performance and low production cost. However, the large number of eutectic carbides (M3C) distributed at the grain boundary, and these carbides are connected to each other into a network, which seriously damages the toughness of CADI.In this dissertation, 0.1 wt.% Titanium was added into ordinary CADI to improve the impact toughness and wear resistance of CADI, and the heterogeneous nucleation mechanism between TiC and M3C is researched by calculation and experiment. The results show that TiC particles can precipitate previously to the nucleation of M3C eutectic carbides. The covalent bond has been formed on the interface, which proves that M3C(010) and TiC(011) can form a stable interface. The experiment showed that with the addition of 0.1 wt.% Ti, TiC particles were formed, and distributed in carbides and matrix. After isothermal quenching at 300 °C, the hardness of Ti-bearing CADI was 3.5 HRC higher than ordinary CADI, and the impact toughness was increased by 14.3%. Additionally, due to the decrease in exfoliation, the wear loss of Ti-bearing CADI was 14.8% lower than ordinary CADI during the block-onring wear test at the surface load of 300 NThe austenite homogenization of carbidic austempered ductile iron was studied from both thermodynamics and dynamics by calculation and experimentation. The results indicated that the mass fraction of carbon in austenite (austenite-graphite stable equilibrium) calculated by the Thermo-Calc software was similar to the results quantitatively analyzed by electron probe. Two equations of undissolved carbides’ area were obtained by linear fitting. To further improve the impact toughness, a new type heat treatment process comprising super-high temperature pretreatment and austempering treatment (S&A treatment) was used to process carbidic austempered ductile iron (CADI). The proposed treatment process successfully improves the impact toughness and the wear resistance of CADI owing to the replacement of the coarse eutectic carbides and coarse ausferrite matrix with lots of precipitated particles and superfine ausferrite.Based on the research results of the nucleation position and the growth rate of acicular ferrite in CADI at different austempering temperatures, different contents of Cu were added into carbidic austempered ductile iron (CADI) to improve the corrosion resistance and the corrosive wear resistance. The results showed that with the addition of Cu elements, the thickness of bainitic ferrite plates and the potential difference (ΔUmatix- graphite nodules and ΔUmatix- carbides) were reduced significantly. The results will provide theoretical guidance and experimental support for the application of CADI in a variety of complex environments.