Evolution de la microstructure et cinétiques de transformations de phases dans un acier à outils lors du revenu : effet du molybdène et du vanadium.

Metallurgical engineering of a new molybdenum and vanadium prehardened tool steel

• Auteur / Autrice : Jules Audard
• Direction : Myrian Dumont
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 02/09/2024
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MSMP - Laboratoire Mécanique, Surfaces, Matériaux & Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)

Mots clés

Mots clés libres

Aciers à outils

Transformation de phases

Expériences grands instruments

Steel for mechanical engineering applications

Phase transformation

Large-scale facilities experiments

Résumé

Le procédé de mise en forme par injection plastique est très largement utilisé dans l'industrie afin de produire des pièces identiques en grande quantité à coût et temps réduit. Les moules utilisés pour une telle application doivent présenter de bon niveau de dureté et de conductivité thermique afin d'évacuer la chaleur générée par le refroidissement du thermoplastique. Les nuances ASTM A681 H11 ou H13 généralement employées pour la fabrication des moules, sont usinées à l'état recuit, puis traitées thermiquement pour atteindre la dureté souhaitée. Ce traitement thermique post usinage induit une augmentation du coût et des délais par rapport au pièces issues de blocs prétraités, directement usinées. Même s'il est aujourd'hui possible d'usiner des matériaux durs, les nuances prétraitées, disponibles en blocs épais, présentent de trop faibles duretés allant de 30 à 40 HRC. Industeel a récemment prouvé qu'il est possible d'obtenir à l'échelle industrielle, par trempe puis revenu, des plaques d'épaisseur allant jusqu'à 250 mm, de dureté 44 HRC, d'excellente usinabilité mais de ténacité encore trop faible pour l'industrialisation du produit. Le rôle exact des éléments d'alliage, la microstructure optimale et l'effet du traitement thermique ne sont pas encore pleinement compris. L'objectif du projet est donc d'explorer dans de nouvelles nuances contenant du Molybdène, les phénomènes de couplages entre la décomposition de l'austénite résiduelle et précipitation secondaire de carbures alliés ou métastable dans la matrice martensitique ou bainitique durant le revenu. Quatre nuances riches en Molybdène coulées en laboratoire sont étudiées sous divers traitements thermiques. Le premier axe de ce projet vise à étudier la microstructure, (phase majeur et précipités) et les propriétés mécaniques (dureté et ténacité) pour différentes conditions de revenu. Pour ce faire en plus des méthodes de caractérisations de base, des expériences grands instruments seront menées : HEXRD (Diffraction rayon-X haute énergie) synchrotron in-situ afin d'explorer l'évolution des phases ; expérience de diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) pour quantifier les précipités à l'échelle nanométrique ; et enfin des expériences de diffusion anomale des rayons X aux petits angles (ASAX) pour estimer la fraction volumique des précipités riches en Mo. Le second axe de ce projet visera à optimiser le choix de la composition d'une nouvelle nuance contenant du Mo à travers l'interprétation de ces résultats et les conclusions du premier axe et des modèles numériques.

Plastic injection moulding is a widely used manufacturing process having the advantage of producing many identical parts in a short time and at a low cost used for various applications. Moulds used for plastic injection must provide a good level of hardness and thermal conductivity to dissipate the heat generated by the cooling of the thermoplastic. ASTM A681 H11 or H13 grades are used in the annealed condition for machining the mould and require a final heat treatment of the part to reach the desired hardness. The subsequent heat treatments and final machining of the components result in longer cost and development times compared to mould parts directly machined from a high quality prehardened steel block. Even if it is nowadays possible to machine hard material, prehardened grades available for huge thickness are ranging from 30 to 40 HRC only. Industeel has recently demonstrated the industrial feasibility of obtaining by quenching and tempering heavy plates up to a thickness of 250 mm having a hardness of 44 HRC class (1400 MPa UTS) with excellent machinability, but a toughness still too low to industrialize the product. The exact role of alloying element, the optimum microstructure and the effect of heat treatment are not fully understood. The objective of this PhD project is to explore, in new grades containing Mo, the coupling phenomenon between the decomposition of the retained austenite and the secondary precipitation of stable or metastable alloyed carbides during tempering in the martensitic or bainitic matrix. Four selected lab-cast Mo-rich compositions are studied after various lab-scale heat treatments. The evolution of the microstructure (major phases and precipitates) and resulting mechanical properties will be recorded for different tempering conditions (time, temperature and heating rates). Besides classical characterization techniques, the first axis of the present project consists in conducting complementary large-scale facilities experiments: HEXRD (Hight energy X-ray diffraction) to explore the evolution of major phases (martensite, bainite, retained austenite and large carbides) and small-angle neutron scattering (SANS) experiments to quantify the nanoscale precipitates in the aged steels. Finally anomalous small-angle X-ray scattering (ASAXS) experiment will be performed to estimate the volume fraction of Mo-rich precipitates. The second axis of this project will aim at optimizing the choice of the composition of one new Mo bearing grade through the interpretation of these results and numerical models.