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Modification superficielle par diffusion chimique

20/11/2013

De nombreux alliages de fonderie doivent répondre à des sollicitations premières qui mettent en jeu leurs propriétés de surface (corrosion, usure…), à tel point, que ces dernières peuvent orienter le choix de l’alliage. Toute la pièce doit alors être coulée en cet alliage si des solutions de type traitement de surface ne sont pas applicables.

Objectifs

L’objectif du projet est d’identifier et de qualifier des solutions d’enrichissement localisé en éléments ciblés. La finalité est avant tout de développer une (des) solution(s) compétitive(s) pour apporter sur pièces de fonderie en matériaux usuels, des propriétés améliorées dans des zones choisies.
En pratique, cela signifie qu’une surface de la pièce devra comporter un (ou des) gradient(s) chimique(s) superficiel(s).

Un des objectifs importants du projet vise à la réalisation d’une pièce prototype de type vanne, raccord ou tubulure, pour laquelle la surface intérieure sera testée vis-à-vis de la corrosion.

Travaux réalisés

travaux 1

Des procédés spécifiques sont en cours de développement dans le cadre du projet, pour permettre l’introduction de poudres métalliques dans le procédé de fonderie, en veillant à la maîtrise des profondeurs affectées. La température à l’interface, c’est-à-dire celle à laquelle la poudre métallique et le métal sont portés, puisqu’en contact intime, est déterminante car elle pilote le régime de diffusion. Or le régime de température est singulier à cet endroit.
Une des difficultés est liée à la modélisation (sous Quikcast) du régime thermique. Les étapes suivantes devront permettre de modéliser les effets du module thermique et de la température de coulée sur l’efficacité de la diffusion.

Un autre aspect majeur du projet touche à la maîtrise de l’introduction des poudres métalliques dans le procédé de fonderie. Les mises au point sont en cours et des conceptions spécifiques ont été réalisées.

En terme de résultats, les essais de faisabilité ont montré qu’il était possible d’enrichir en éléments métalliques la surface d’une fonte GS de type SiMo. Il est ainsi possible d’atteindre en surface interne d’une tubulure (type collecteur d’échappement, d’épaisseur entre 3,5 et 4 mm), une teneur superficielle enrichie en nickel… tout en utilisant 13 fois moins de nickel que si l’alliage était coulé en masse dans cette composition. Un test de corrosion, correspondant à une oxydation à chaud à 850°C, montre que l’enrichissement superficiel affecte profondément l’épaisseur et les caractéristiques de l’oxyde formé. Ces résultats de faisabilité et les enjeux que recouvre un tel processus de fabrication encouragent à poursuivre la R&D.

Points majeurs

En termes de prix, la phase de faisabilité a montré que les prix des poudres sont sensiblement inférieurs à ceux des éléments d’alliages massifs (vérifié sur Ni, Cr, Si). Le rapport des épaisseurs obtenues (300 μm sur une tubulure de 3,8 mm d’épaisseur pour un enrichissement de 1 % en Ni ou Si) permettrait de réduire l’emploi de chaque élément d’un facteur supérieur à 10.

Les essais d’oxydation à chaud ont également montré que le comportement de la surface enrichie par diffusion variait notablement.

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