Malgré la popularité du procédé de métallurgie des poudres (PM) pour la fabrication de composants de forme quasi finale, un nombre important de pièces PM nécessitent des opérations d'usinage pour la conformité géométrique. Cependant, la présence de porosité dans la microstructure typique des pièces PM affecte fortement négativement leur comportement à l'usinage, nécessitant ainsi l'utilisation d'additifs pour l'améliorer. L'additif idéal améliorant l'usinabilité serait celui qui, en plus d'augmenter considérablement l'usinabilité, est chimiquement neutre, rentable et n'a aucun effet néfaste sur les propriétés mécaniques. Sur la base de ces critères, des travaux ont été menés pour étudier et comparer l'effet de l'ajout de différents activateurs d'usinabilité, contenant du MnS, du MnS revêtu de Ni, du MoS$_2$, du Cu$_2$S, du BN, du CaF$_2$ et du MgSiO$_3$ sur la réponse d'usinage de pièces de type FC-0208. Les performances de ces additifs ont été caractérisées en termes d'usinabilité, de propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion et comparées aux propriétés des échantillons ne contenant pas d'additif, c'est-à-dire FC-0208. Les résultats ont indiqué que l'ajout d'additifs améliorant l'usinage à la composition du FC-0208 avait un effet néfaste marginal sur les propriétés mécaniques, sauf dans le cas du BN. De plus, la dissociation des particules de MoS$_2$ et la dissociation partielle des particules de Cu$_2$S au cours du processus de frittage ont été confirmées. La caractérisation de l'usinabilité a indiqué que l'ajout de MoS$_2$ et Cu$_2$S améliorait la réponse d'usinabilité des pièces tandis que CaF$_2$ et MgSiO$_3$ n'affectaient pas l'usinabilité des pièces FC-0208 et même dans certains cas, elle était aggravée. Bien que les résultats aient confirmé la grande efficacité des particules de MnS pour augmenter l'usinabilité des pièces PM, elles ont eu un effet néfaste à la fois sur le tournage à la vitesse de 243 smm et sur le perçage. / Despite the popularity of the powder metallurgy (PM) process for manufacturing near-netshape components, a significant number of PM parts require machining operations for geometrical conformance. However, the presence of porosity in the typical microstructure ofPM parts greatly negatively affects their machining behavior, thereby requiring the use of additives to improve it. The ideal machinability-enhancing additive would be one that, on top of considerably increasing machinability, is chemically neutral, cost-effective, and has no detrimental effect on mechanical properties.Based on these criteria, work was carried out to investigate and compare the effect of addition of different machinability enhancers, containing MnS, Ni-coated MnS, MoS$_2$, Cu$_2$S, BN, CaF$_2$, and MgSiO$_3$ on the machining response of the FC-0208 PM parts. The performances of these additives were characterized in terms of machinability, mechanical properties, and corrosion resistance and compared with the properties of the samples containing no additive,i.e., FC-0208. The results indicated that the addition of machining enhancers to the composition of FC-0208 had a marginal detrimental effect on mechanical properties, except in the case of BN. Moreover, the dissociation of MoS$_2$ particles and partial dissociation of Cu$_2$S particles during the sintering process were confirmed. Machinability characterization indicated that addition of MoS$_2$ and Cu$_2$S improved the machinability response of the workpieces while CaF$_2$ and MgSiO$_3$ did not affect the machinability of FC-0208 workpieces and even in some cases, it was worsened. Although the results confirmed the high effectiveness of MnS particles in increasing the machinability of PM parts, it had a detrimental effect in both turning at the speed of 243 smm and drilling.

La métallurgie des poudres (MP) est un procédé permettant de produire des pièces aux cotes quasiment finales. Cependant, l'importante proportion de porosité présente dans les pièces conçues par MP diminue significativement leur l'usinabilité comparativement aux pièces coulées ou corroyées. Heureusement, le pré-alliage des aciers au sulfure de manganèse (MnS) s'est avéré un bon moyen d'augmenter l'usinabilité des pièces conçues par MP. Dans le présent projet, l'effet sur l'usinabilité de nouvelles particules de secondes phases pré-alliées a été étudié. Les résultats démontrent que pour un mélange FC-0208, la vie utile de l'outil de coupe peut être améliorée de 55% et les forces de coupes tangentielles diminuées de 10% lorsqu'elles sont comparées avec un alliage hautement usinable pré-allié au MnS (MP37 HD) de la compagnie DOMFER Poudres Métalliques. De plus, ces améliorations ont causées qu'une légère diminution la dureté apparente et la résistance mécanique des pièces

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / Bien que la métallurgie des poudres (MP) soit connue comme un méthode de fabrication aux cotes presque finales, un volume ignificatif de pièces MP nécessitent que l’on ait recours à une opération d’usinage. Les opérations d'usinage secondaires sont habituellement requises pour la conformité dimensionnelle ou la production de caractéristiques géométriques compliquées qui ne peuvent pas être obtenues par le procédé de pressage. Cependant, en raison de la présence de porosité, l'usinabilité des pièces en aciers MP est difficile en comparasion aux aciers corroyés et peut ajouter 20% ou plus au coût total de fabrication de ces pièces. Parmi les diverses mesures connues pour améliorer l'usinabilité des aciers MP, l'utilisation d'additifs d'usinage, soit pré-mélangés, soit préalliés, est de loint la méthode la plus utilisée. Il existe des dizaines d'éléments et de composés différents qui peuvent améliorer l'usinabilité à différents niveaux. Néanmoins, leurs effets négatifs sur d'autres propriétés des aciers MP tels que les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion rendent leur utilisation peu intéressante. Dans cette étude, des particules de graphite libre sont présentées comme un nouvel additif qui non seulement améliore significativement l'usinabilité des aciers MP, mais le fait sans affecter de façon notable les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion. Il a été démontré qu'il est possible d'obtenir des particules de graphite libres dans un acier MP par enrobage de celles-ci. Cet enrobage permet d’empêcher le graphite de diffuser dans la matrice de fer pendant le frittage. Dans cette étude, des particules de graphite enrobées de nickel ont été recouvertes de cuivre par le procédé de cémentation. Un traitement thermique a ensuite été réalisé sur ce nouveau matériau afin d’obtenir un revêtement plus uniforme. Les résultats des essais de caractérisation mécanique sur des échantillons frittés (FC-0208) contenant des particules prémélangées de graphite enrobées de cuivre / nickel, soit traitées thermiquement ou non, montrent que ce nouvel additif ne détériore pas les propriétés mécaniques statiques et dynamiques des aciers MP. De plus, la résistance à la corrosion des échantillons contenant cet additif se révèle être la même que celle des échantillons sans additif. Les effets de l’additif non traité thermiquement et traité thermiquement sur l'usinabilité des aciers MP ont également été caractérisés en utilisant un opration de perçage. Les résultats obtenus montrent que ce nouvel additif peut améliorer significativement l'usinabilité en réduisant la force de coupe requise. / Although powder metallurgy (PM) is known as a near-net-shape fabrication method, noticeable amount of PM parts need some sort of machining. Secondary machining operations are usually required for dimensional conformance or producing complicated geometrical features that cannot be achieved at the compaction stage. However, due the presence of porosity, machinability of PM steels is difficult compared to wrought steels and can add 20% or more to the overall fabrication cost of PM parts. Thus, improving machinability of PM steels can definitely reduce their production costs. Among the various measures known to improve machinability of PM steels, addition of machining aids, either as admixed or pre-alloyed, is the most popular one. There are tens of different elements and compounds that can improve machinability at different levels. Nevertheless, their negative effects on other properties of PM steel components, such as mechanical properties and corrosion resistance, make their utilization somewhat limited. In this study, free graphite particles are introduced as a new additive that not only significantly improve machinability of PM steels, but also does not affect the mechanical and corrosion properties. It was found that it is possible to have free graphite particles in a PM steel, sintered using conventional sintering conditions, by coating the graphite particles. This coating can prevent graphite from diffusing into the iron matrix during sintering. In this research, nickel coated graphite particles were coated with copper through cementation process. A heat treatment was then performed on this newly developed material to have a more uniform single layer coating. The results of mechanical characterization tests on the copper steel sintered samples containing admixed copper/nickel coated graphite particles, either in the form of non-heat-treated or heat-treated, showed that this new additive does not deteriorate static and dynamic mechanical properties of PM steels. Moreover, the corrosion resistance of the samples containing copper/nickel coated graphite was found to be the same as samples without additive. The effects of non-heat-treated and heat-treated copper/nickel coated graphite on machinability of PM steels were also characterized using drilling test. It was seen that this new additive can significantly improve machinability through reducing the required cutting force.

Le sujet de ce travail concerne une partie précise des moteurs à explosion : le système soupape /siège de soupape. Les conditions de contact sont sévères : température élevée, choc, glissement, atmosphère agressive, … Le but a été d’évaluer la résistance à l’usure sous différents environnements des aciers obtenus par la métallurgie des poudres pour les sièges de soupape. Une expérimentation sur un dispositif d'essai spécifique d’impact-glissement a permis d’exploiter la dynamique instantanée du contact et la perte de matière en fonction de l’angle de contact (les angles testés sont 30°, 45° et 60°). L’étude s’est appuyée sur : - Une modélisation numérique par éléments finis d’un contact de configuration bille/plan. La reprise du modèle mécanique du simulateur expérimental a mis en avant une évolution de la dynamique du contact d’un glissement alternatif à 30° à une succession de multi-impact à 45° et 60°. Ce résultat a été validé à l’aide des observations par caméra rapide et des mesures de la résistance électrique du contact. Les résultats numériques montrent que les contraintes de cisaillement diminuent pour les grands angles. En revanche, une déformation plastique importante a été induite par les multi-impacts. Ces paramètres sont sensibles à l’augmentation du frottement aux faibles angles. La modélisation numérique a amené des réponses complémentaires aux résultats expérimentaux. - Une analyse tribologique du couple acier fritté/ acier de roulement, modélisé par une configuration bille/plan en mouvement alternatif et sous impact-glissement. Chaque chargement entraine des processus d’endommagement spécifiques. Dans le cas d’impact-glissement à sec, la perte de matière des aciers frittés augmente avec l’angle de contact. L’examen des traces d’usure indique l’importance de l’adhésion, de l’abrasion et de la déformation plastique. L’introduction d’un lubrifiant à l’interface entraine des modifications sur la dynamique du contact et les mécanismes d’usure. La viscosité et la composition chimique du lubrifiant influent différemment sur la détérioration de la surface. Dans ces conditions, cette dernière est associée à la croissance des pores à la surface, la propagation des fissures à la surface et en sous-couche et l’abrasion. Le suivi du volume d’usure en température indique une usure importante à 180°C. Ceci est dû à la cinétique d’oxydation de l’acier fritté. A plus haute température, la surface est protégée contre l’abrasion et l’adhésion grâce à la présence d’une couche de tribo-oxydation dite ‘phase glacée’. Ce travail montre l’importance de la compréhension de la relation entre la microstructure des aciers frittés destinés au siège de soupape et leur comportement. Ces matériaux ont montré une adaptabilité parfaite entre la perte de matière et les conditions de sollicitation. Les mécanismes d’usure montrent une totale dépendance à la fois à l’angle de contact et à l’environnement. / Sintered steel is used as a material for valve seat insert in automotive engines. During operation, a dynamic contact occurs between the valve and its seat. To investigate the wear behavior of sintered steel for this application, we have developed an impact-sliding tester using a ball on flat configuration. Impact-sliding experiments have been conducted at different impact angles (30°, 45°, 60°) with and without lubrication to investigate the surface damage of the sintered steel under this contact loading and to understand the effect of lubrication. As a first step, we investigated numerically the evolution of the contact pressure, stress and strain as a function of time. In fact, owning the experimental bench test, a finite element model was developed. Numerical results show an evolution from of dynamic behavior from permanent reciprocating sliding at low angles to an intermittent motion called multi-impacts at higher angles. Experimental electric resistance measurements seem to confirm these evolutions. As a consequence, shearing stress is reduced when plastic deformation increased with multi-impacts. Wear track observations are in good agreement with these findings. Our results have shown an important variation of the wear rate in relation to impact-sliding angle. In dry condition, a low wear regime is observed for low angles; whereas maximum wear is observed at 60° angle for lubricated contacts. The wear scar in the dry contact is deeper than in the lubricated one. The damaged surface of sintered steel is examined by a Scanning Electron Microscopy (SEM). In dry conditions, the contact area wears out quickly due to an adhesive-abrasive process. Under lubricated conditions, a fatigue crack opening is associated to a lower wear rate. The lubricated impact-sliding condition modifies the main surface damage phenomena. In addition, a comparison of wear volumes produced using pure mineral base oil and the same base oil containing an anti-wear, anti-friction additive (ZDDP), shows that this additive has only a weak effect on wear reduction under squeeze–sliding lubrication. A discussion of basic wear mechanisms is presented to explain the observations. The present research was carried out to study the combined aspects of impact and sliding failure mechanism at different contact temperatures. The tribological behavior was investigated both under reciprocating motion and with a dynamic impact-sliding loading. The measured friction coefficient decreases as the contact temperature increases. The presence of oxides seems to be the key factor of this evolution. When the loading changes to a combined impact with slides, wear rate and mechanisms of the sintered steel vary with temperatures. Scanning electron microscopy observations coupled with EDX analysis were investigated inside and outside of the wear track in order to understand the surface accommodation with temperatures.