Aciers Hadfield obtenus par dépôt laser. Propriétés mécaniques et tribologiques

Mechanical and tribological properties of Hadfield steels obtained by laser deposition

¹ GEMPPM-Calfetmat, INSA, Villeurbanne, France
² IFOS-MMP, ECL, Ecully, France

Résumé

Pour de nombreuses applications dans le secteur de la mécanique, il est nécessaire de disposer de matériaux combinant des propriétés mécaniques intéressantes et des résistances à l’usure élevées. Ceci n’est généralement possible que grâce à des traitements superficiels adaptés, en particulier grâce à la réalisation de dépôts possédant une composition et une microstructure appropriées. L’utilisation des lasers de puissance est l’une des méthodes possibles pour une telle réalisation. Si les revêtements de type céramique ou composites à matrice métallique sont des candidats intéressants dans certains cas, leur faible aptitude à la déformation plastique en limite l’usage. Dans la présente étude, des revêtements métalliques Fe-Mn-C (acier Hadfield) sont obtenus par injection de poudre sous faisceau laser, puis caractérisés, tant d’un point de vue microstructural que mécanique et tribologique.

Directement après dépôt, les revêtements Hadfield sont sains, fortement adhérents au substrat (liaison de type métallurgique) et de structure austénitique; ils présentent des caractéristiques mécaniques assez bonnes : dureté : 350 HV, limite d’élasticité: σ_E = 1200 MPa, module de Young : E = 210 GPa. Mais l’intérêt principal réside :

- d’une part dans le fait qu’ils sont très ductiles (des déformations relatives supérieures à 80% sont réalisables sans dommages importants) et que cette déformation plastique s’accompagne d’un phénomène de durcissement considérable (des duretés Vickers de l’ordre de 800 HV sont mesurées),

- d’autre part dans le caractère réduit et différé de l’usure observée lors des essais d’usure induite par petits débattements (“fretting”), que les essais soient réalisés dans le domaine élastique ou dans le domaine plastique.

Une expertise métallurgique permet d’attribuer ce comportement à la formation de macles dans un domaine donné de déformation.

Abstract

For a lot of applications in the mechanical industry, materials combining both attractive mechanical properties and enhanced wear resistance are required. Usually such a combination is achieved only by performing surface treatments, especially by manufacturing coatings with appropriated composition and microstructure. Laser cladding is an innovative and attractive manufacturing route. Ceramic or metal-matrix composites are possible candidates in some circumstances. However their low plastic deformation ability limits their use. Present works reports on metallic coatings (Fe-Mn-C steels, known as Hadfield steels). They are obtained by laser cladding (direct injection of powder into the laser beam) and then characterised by metallurgical, tribological and mechanical analysis.

Directly after manufacturing, Hadfield steel coatings are sound, metallurgically bonded to the substrate and with an austenitic structure. Their mechanical features are fairly good : hardness HV = 350, Young modulus : E = 210 GPa, yield strength : σ_E = 1200 MPa. However, the most attractive features are as follows :

- they are very ductile : relative deformations higher than 80% are achieved without intermediate annealing and without deleterious damages. This deformation yields to a large work-hardening phenomenon, since hardness values higher than 800 HV are measured.

- wear observed during fretting tests is limited and delayed, whatever the nature of the regime: elastic or plastic.

A metallurgical analysis indicates that this behaviour is due to a twinning phenomenon, at least in a particular deformation range.