Abstrait:Le manganèse est une matière première industrielle importante et largement utilisée dans les matériaux de métallurgie des poudres. Cet article donne un aperçu de l'application du manganèse dans des matériaux tels que l'acier fritté, les alliages d'amortissement, les alliages d'aluminium, les alliages de titane et d'aluminium, les alliages lourds à base de tungstène et les alliages durs. On peut s’attendre à ce que le manganèse ait de larges perspectives d’application pour améliorer les performances des matériaux de métallurgie des poudres et développer de nouveaux matériaux pour la métallurgie des poudres.
Mots clés:manganèse; Métallurgie des poudres ; perspective de candidature
Introduction : L'élément manganèse a été découvert dès 1774, mais son rôle important dans l'industrie sidérurgique n'a été reconnu qu'avec l'invention du convertisseur acide soufflé par le bas en 1856 et de la méthode de fabrication de l'acier à foyer ouvert en 1864. De nos jours, le manganèse, en tant qu'élément efficace et un élément d'alliage peu coûteux, est devenu une matière première indispensable et importante dans l'industrie sidérurgique. Environ 90 % du manganèse est consommé dans l’industrie sidérurgique, juste derrière le fer en termes d’utilisation, tandis que les 10 % restants sont consommés dans des secteurs tels que la métallurgie des non-ferreux, l’industrie chimique, l’électronique, les batteries et l’agriculture.
Le manganèse et ses composés sont des matières premières couramment utilisées pour la production de matériaux de métallurgie des poudres. L'importance du manganèse dans les matériaux de la métallurgie des poudres est reconnue depuis 1950. Par la suite, l'application du manganèse dans l'industrie de la métallurgie des poudres s'est progressivement développée. Les séries d'acier fritté à haute résistance contenant du manganèse ont été développées grâce au développement de la technologie des alliages mères et de la technologie des pré-alliages. De plus, il joue un rôle important en tant que composant principal ou composant additif dans d’autres matériaux de métallurgie des poudres. Cet article donne un aperçu de l’application du manganèse dans les matériaux de métallurgie des poudres.
1.Le rôle du manganèse dans l'acier fritté à haute résistance
L'acier fritté faiblement allié avec l'ajout simultané de manganèse et de silicium comme éléments d'alliage présente un bon effet de renforcement et une bonne stabilité de taille de frittage, est peu coûteux et présente un fort avantage concurrentiel. Selon les rapports pertinents, l'alliage Fe{{{{10}}}},2 % Mn-1,4 % Si-0,4 % C fritté à 125{{14 }} degrés pendant 60 minutes a une résistance à la traction de 800-1000MPa. Le fer fritté et l'acier fritté sont principalement utilisés pour la fabrication de pièces mécaniques et lors de la sélection des éléments en alliage, il faut prêter attention à leur impact sur la stabilité dimensionnelle. En général, l'ajout de silicium provoque un retrait du compact lors du frittage, tandis que l'ajout de manganèse provoque une dilatation du compact. L'ajout simultané de manganèse et de silicium peut contrôler efficacement l'apparence et la taille du corps fritté. Changements de taille dans les 5 échantillons de composants mesurés Δ In L/L0, il a été constaté que Fe-2.0% Si-2.0% Mn et Fe-2.0 % Si-4,0 % Mn étaient fondamentalement les mêmes que le fer pur, avec un changement de taille de 1,2 % à 1,4 % ; Et Fe-4,0 % Mn est relativement élevé, environ 1,7 % ; Fe-2,0 % Si est relativement faible, environ 0,7 %. Les propriétés mécaniques de plusieurs aciers frittés contenant du nickel, du molybdène, du cuivre, du manganèse et du silicium sont répertoriées dans le tableau 1. On peut constater que l'acier fritté additionné d'éléments en alliage de manganèse et de silicium présente des performances élevées.
Pendant ce temps, lors du frittage, le manganèse se sublime et forme de la vapeur. La figure 1 montre la pression de vapeur de manganèse de l'alliage Fe-45% Mn-20% Si à 600-1200 degrés. Lorsqu'une quantité suffisante de manganèse est ajoutée, la vapeur de manganèse est remplie dans les vides du compact pour empêcher efficacement l'oxydation d'autres éléments et le dépôt de particules de fer à la surface. Par diffusion en surface, diffusion en volume, etc., il infiltre uniformément les particules de fer, même au centre des particules, accélérant ainsi le taux d'alliage. En observant l'échantillon de Fe-2.0% Si-4.0% Mn, il a été constaté qu'il y avait formation instantanée de phase liquide. La phase liquide favorise la diffusion rapide des éléments d'alliage et peut surmonter l'effet inhibiteur de la couche d'oxyde sur la surface des particules d'alliage parent, obtenant ainsi une grande uniformité des éléments d'alliage.
2.Améliorer les performances de coupe des matériaux frittés à base de fer
L'ajout de sulfure de manganèse (MnS) à l'acier fritté peut réduire efficacement la force de coupe et améliorer ses performances de coupe. Dans les matériaux à base de fer, le sulfure de manganèse est une inclusion métallique fragile et lubrifiante avec une résistance bien inférieure à celle de la matrice de fer. Le rôle du sulfure de manganèse dans les matériaux est équivalent à celui des pores, ce qui perturbe la continuité de la matrice de fer, réduit la résistance, et donc réduit l'effort de coupe. Han Yunqiu et coll. a constaté que les performances de coupe de l'acier fritté étaient efficacement améliorées après avoir contenu des éléments de manganèse et de soufre. Pour la poudre de fer de qualité 600MS avec une teneur en manganèse et en soufre de 0,318 % et 0,21 %, la force de coupe moyenne de l'échantillon fritté n'était que de 295 MPa, bien inférieure aux 688 MPa de qualité SC{{ 8}}.26 avec une teneur plus faible en manganèse et en soufre. Les résultats expérimentaux de Yin Pingyu et al. montrent que l'ajout de poudre de sulfure de manganèse au système de frittage Fe-2% Cu-0,5% Mo-0,6% C améliore considérablement les performances de coupe du matériau. De plus, les additifs n’ont pas d’impact significatif sur la température de frittage, la dureté et la précision dimensionnelle du matériau.
Des expériences ont montré que la formabilité et les performances de frittage de la poudre d'acier dans l'acier inoxydable austénitique 304L ont subi des changements significatifs après l'ajout de sulfure de manganèse. L'ajout de poudre de sulfure de manganèse réduit la densité compacte. Lorsque la teneur en sulfure de manganèse est inférieure à 0,6 %, le taux de retrait compact et la densité frittée diminuent avec l'augmentation de la teneur en additif ; Mais après avoir dépassé 0,6%, il remonte. Après avoir ajouté de la poudre de sulfure de manganèse, la résistance à la corrosion de l'acier fritté se détériore. Après trempage dans une concentration de 10 % de solution de corrosion FeCl3, la perte de qualité de l’échantillon augmente avec l’augmentation de l’ajout de sulfure de manganèse. Le sulfure de manganèse a un impact significatif sur la rupture par fatigue de l'acier fritté par métallurgie des poudres. Les fissures proviennent de vides à la surface ou dans la couche inférieure de l'échantillon et se propagent selon différents modes. Toutefois, l’ajout de sulfure de manganèse ne modifie pas le mécanisme de fatigue de l’acier fritté. Dans le même temps, il a été constaté que la résistance à la flexion, la ténacité et d'autres propriétés de l'acier fritté sont non seulement affectées par la quantité de sulfure de manganèse ajoutée, mais ont également une relation claire avec la taille des particules des additifs. La phase sulfure de manganèse est principalement distribuée entre les particules ou les pores de la matrice, alors qu'il y a peu de particules à l'intérieur, de sorte que la taille des grains du sulfure de manganèse a un impact direct sur les propriétés ci-dessus.
Infiltration de manganèse à la surface de l'acier fritté
L'acier fritté nécessite souvent une protection contre l'usure et un traitement thermique, notamment une trempe de surface, une co-infiltration de carbone et d'azote, une nitruration douce, une infiltration de bore, etc. En utilisant ces méthodes, une surface durcie peut être obtenue, mais dans une certaine mesure, elle peut augmenter la taille de la partie. Il n'est pas conseillé d'effectuer un traitement de finition sur des pièces durcies, et seule la correction dimensionnelle peut être effectuée par meulage. Le traitement par infiltration de manganèse peut être utilisé pour fabriquer des pièces frittées résistantes à l'usure et garantir que la précision dimensionnelle des pièces reste inchangée, évitant ainsi les inconvénients susmentionnés. L'alliage de la surface du manganèse peut être effectué pendant le processus de frittage, éliminant ainsi des processus supplémentaires tels que la carburation, le durcissement et le meulage. L'infiltration de manganèse génère une couche de durcissement superficiel d'acier austénitique au manganèse, qui possède des propriétés similaires à celles de l'acier à haute teneur en manganèse.
Les caractéristiques des pièces avec traitement de diffusion de manganèse en surface ont une valeur particulière pour les applications dans des conditions d'usure et de haute température. Pohl a mesuré la dureté et la résistance des échantillons de surface infiltrés de manganèse (les échantillons ont été tempérés à 450 degrés pendant 1 heure). Selon les résultats de l'auteur, à une température d'essai de 450 degrés, la dureté des pièces superficielles infiltrées par du manganèse est supérieure à celle des pièces co-infiltrées par de l'azote carbonique, avec des valeurs d'environ 400HV0,05 et 350HV0,05, respectivement. ; De plus, par rapport à la valeur de dureté à température ambiante, les parties infiltrées de manganèse en surface n'ont pas beaucoup diminué, représentant toujours 80 % de la température ambiante, mais les parties infiltrées de carbone et d'azote n'en ont que 50 %. La résistance à la fatigue des pièces infiltrées de manganèse en surface est supérieure à celle des pièces infiltrées de carbone et d'azote, et elle augmente linéairement avec l'augmentation de la température de revenu. La valeur à 450 degrés est 8 % supérieure à celle à température ambiante.
4.Matériaux amortisseurs à base de manganèse
Selon des rapports pertinents de 1976, les alliages amortisseurs Mn Cu ont été développés avec succès grâce à des méthodes de métallurgie des poudres. Le frittage est effectué dans de l'hydrogène gazeux avec un point de rosée inférieur et la température de frittage finale de Z dépend de la teneur en manganèse. L'alliage contenant 55 % de Mn est d'environ 900 degrés, tandis que l'alliage contenant 75 % de Mn est porté à 1075 degrés. Lorsque la taille des particules de poudre de manganèse diminue de -100 mesh à -325 mesh, la densité de frittage et la résistance à la traction augmentent légèrement. L'alliage 60Mn-40Cu est fritté sous vide, et si la température de frittage n'est pas inférieure à celle de l'hydrogène, le manganèse s'évaporera considérablement. Au cours du processus de chauffage, le compact se dilate d'abord de quelques pour cent et ne se contracte que lorsque la température s'approche de la température de frittage finale de Z. Le tableau 2 présente les données de résistance à la traction et de dureté d'un alliage de 60 % à 75 % de Mn (contenant 1 % de liant ). L'échantillon est chauffé dans de l'hydrogène gazeux et maintenu à 760 degrés pendant 0,5 heure, 860 degrés pendant 1 heure, et la température de frittage finale de Z est maintenue pendant 1 heure pour obtenir une résistance à la traction élevée de Z. Les pores et autres caractéristiques organisationnelles réduisent les propriétés mécaniques mais augmentent les performances d'amortissement relatives. Après frittage, le matériau peut atteindre de bonnes performances d'amortissement, ce qui est souhaitable du point de vue de la simplification du processus et de la réduction des coûts.
Les matériaux d'amortissement à base de manganèse comprennent les alliages Mn Cu, Mn Fe et Mn Ni. Au cours du processus de frittage du système Mn Cu, il présente un mécanisme de diffusion unidirectionnelle du manganèse pénétrant dans le cuivre, entraînant la formation d'une solution solide monophasée. L'alliage Mn Cu est un bon matériau amortisseur. La capacité d'atténuation de l'alliage Mn Cu (70 % Mn) pendant le revenu a été étudiée et il a été constaté que pendant le processus de revenu, l'échantillon fritté pré-trempé avait un mode d'atténuation très similaire à celui des alliages coulés ordinaires. ; Cependant, la différence est que même si la température de revenu atteint 460 degrés, la résistance à l'atténuation de l'alliage fritté est relativement faible. Ils pensent que la raison de ce phénomène est liée à l’excellente uniformité chimique de l’alliage. L'augmentation de la teneur en cuivre dans l'alliage entraîne une augmentation de la densité, de la dureté, du taux de propagation des ondes sonores et du coefficient de Poisson, mais le rapport entre le module d'Young et le module d'élasticité global (E/K) diminue. Lorsque le rapport E/K est compris entre 2,0 et 2,4, les alliages à haute teneur en manganèse correspondant à des valeurs E/K élevées ont de meilleures propriétés d'amortissement. L'alliage fritté Mn Cu contenant des phases - Mn et - MnCu a une constante d'amortissement comprise dans la plage de 10-1 et est insensible à la température et à la fréquence. Après trempe de l'alliage Mn Cu à 1123K, uniquement - composition monophasée MnCu. Il existe deux pics sur la courbe de relation logarithmique entre la vitesse de désintégration et la température des alliages monophasés, situés respectivement aux positions 223K et 460K. L'intensité de ces deux pics est supérieure à celle de l'alliage M2052 produit par coulée. L'auteur pense que le pic principal situé à 223K est causé par l'interface jumelle dans la microstructure, tandis que l'autre pic provient de la structure orthogonale centrée sur les faces (fct) - La transition de MnCu vers la structure cubique centrée sur les faces (fcc). De plus, les alliages de manganèse contenant des composants en cuivre et en nickel ont un coefficient de dilatation thermique élevé et ont des perspectives d'application dans divers domaines, tels que l'utilisation de feuilles bimétalliques dans les dispositifs de contrôle de réponse thermique.
5.L'application du manganèse dans les alliages d'aluminium
L’ajout d’élément manganèse à l’alliage d’aluminium est généralement complété par un processus de métallurgie des poudres après fusion et concassage. Pendant la fusion et le refroidissement, une vitesse de refroidissement élevée est adoptée pour éviter la formation d'une phase grossière d'Al6Mn. Par conséquent, deux méthodes d’ajout de flocons de MnAl ou d’injection de poudre de manganèse à la matrice en alliage d’aluminium ont été tentées. Les résultats indiquent que la première méthode repose sur la chaleur dégagée par les réactions entre les composants, permettant de maintenir le processus de solution solide de manganèse sans avoir besoin d'équipement supplémentaire, ce qui entraîne une température plus basse requise pour l'ensemble du processus ; De plus, les propriétés du matériau dépendent moins de la taille des particules de manganèse. Lors de l’utilisation de cette dernière méthode, un équipement supplémentaire est nécessaire en raison du chargement de poudre de manganèse métallique par un flux d’air à grande vitesse. De plus, l’utilisation de cette méthode nécessite un long cycle de traitement et une température de fonctionnement nettement plus élevée que les autres méthodes. Parallèlement, il a été constaté que la taille des particules de poudre de manganèse, qu’elle soit supérieure ou inférieure à la taille optimale Z, n’est pas propice aux performances du matériau.
L'alliage Al Mn est un alliage d'aluminium courant, composé de la solution solide et du composé intermétallique Al6Mn composé de deux phases. Les composés intermétalliques ont un impact significatif sur les propriétés mécaniques des alliages. Avec l'augmentation de la teneur en composé, la limite d'élasticité et la résistance à la fatigue de l'alliage augmentent considérablement, tandis que l'allongement diminue (en particulier dans les environnements de travail à basse température). Après avoir ajouté une petite quantité de chrome à l’alliage Al Mn, les propriétés de l’alliage ont considérablement changé. Après avoir étudié la relation entre les propriétés mécaniques et la composition de l'alliage Al - (6-8)% Mn - (1-3)% Cr. Les résultats ont montré qu’une fois que la teneur en Mn+Cr était supérieure à 8,8 %, le degré de renforcement de l’alliage augmentait considérablement en raison des précipitations. L'alliage Al-7Mn-3Cr a un excellent effet de renforcement, avec une résistance à la traction de 480 MPa et un allongement de 7 %. Lorsque la quantité de chrome ajoutée est faible, la deuxième phase d'Al6Mn précipite dans l'alliage ; Lorsque la quantité de chrome ajoutée est élevée, une phase Al7Cr se forme. Après le traitement thermique de l'échantillon d'alliage extrudé à chaud, la phase G, c'est-à-dire la phase (Mn, Cr) Al12, est générée dans le système. La formation de la deuxième phase a un impact significatif sur la microstructure et les propriétés mécaniques de l'alliage. L'ajout d'un élément de silicium à l'alliage Al Mn a également donné de bons résultats. Hawk et coll. Alliage Al-12.6Mn-4.8Si préparé à l'aide d'une technologie de solidification rapide. Après un recuit à 350 degrés pendant 100 heures, la microstructure de l'échantillon était très stable et il n'y avait aucune diminution de la résistance ni de l'allongement. Dans la plage de température ambiante jusqu'à 380 degrés, la résistance à la traction a diminué de 465 MPa à 115 MPa et l'allongement a augmenté de 6 % à 12 % ; Lorsque la température atteint 425 degrés, le taux d'allongement augmente encore jusqu'à 30 %. Dans le même temps, la résistance et la plasticité des alliages dépendent de la vitesse de déformation, et la résistance et la plasticité sont améliorées à des vitesses de déformation élevées. Les résultats des tests de fluage montrent que dans la plage de températures de test, l'énergie d'activation au fluage de l'alliage est comprise entre 100 et 230 kJ/mol et l'indice de contrainte est compris entre 3 et 5. L'alliage AlMnCe à haute résistance préparé par le procédé de métallurgie des poudres a résistance à l'usure plus élevée que les alliages traditionnels. L'alliage Al90Mn8Ce2 présente les meilleures résistance à la compression et dureté Z, atteignant respectivement 900 MPa et 26 HRC après pressage isostatique dans des conditions de 753-793 K et 1,2 GPa. L'amélioration de la résistance est attribuée aux grains fins et au renforcement de la deuxième phase de l'alliage [44] ; Des recherches ont montré que l'alliage Al90Mn8Ce2 présente une excellente résistance à l'usure. Par exemple, dans les conditions 773K, la résistance à l'usure de cet alliage est trois fois supérieure à celle de l'alliage d'aluminium A355 ordinaire. Il a également été constaté que les particules dures de la deuxième phase telles que Al6Mn, Al4Ce et Al2O3 présentes dans le matériau sont bénéfiques pour améliorer la résistance à l'usure de l'alliage.
6.Conclusion
Le manganèse, en tant que composant ou additif principal des matériaux de métallurgie des poudres, joue un rôle important dans l'amélioration des propriétés des matériaux et le développement de nouveaux matériaux ; De plus, le manganèse dispose de ressources abondantes et de prix bas. La recherche et le développement des applications du manganèse revêtent une grande importance tant dans la théorie scientifique que dans la pratique de production. Avec l’expansion de la demande du marché et le développement de la science et de la technologie des matériaux, les perspectives d’application du manganèse seront sans aucun doute encore plus larges.
Cependant, l'application élargie du manganèse s'est heurtée à des obstacles, à savoir que le manganèse est facilement oxydé et que les oxydes sont difficiles à réduire. Dans le processus de production de métallurgie des poudres, l’oxydation du manganèse a toujours été un problème très difficile. Avec le développement de la technologie de fabrication de poudre et de la technologie de frittage, le problème de la prévention de l’oxydation du manganèse a été atténué, mais il n’a pas été complètement résolu. Tout en plaidant pour l'expansion de l'application du manganèse, il est également nécessaire de renforcer la recherche dans ce domaine et de trouver des mesures raisonnables.
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