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Savoir plus sur la métallurgie des poudres

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1 Savoir plus sur la métallurgie des poudres le Mar 21 Aoû 2012 - 14:03

Admin Hania


La métallurgie des poudres

INTRODUCTION GéNéRALE

La métallurgie des poudres (MDP) est une technique tout à fait originale et diffère totalement des autres techniques classiques de d’élaboration de pièces métalliques par fusion.

La matière première est sous forme de poudre, ce qui permet de créer un large éventail de pièce tout en restant économiquement favorable.

Après un rappel théorique sur la MDP, vous pourrez trouver dans cet article : les avantages de la technique de métallurgie des poudres, ses débouchés industriels, les procédés de mise en œuvre et enfin les secteurs d'application

Rappelons brièvement le principe de la métallurgie des poudres qui comporte essentiellement deux stades :

> PRIMO : La compression, généralement à température ambiante, d’une masse pulvérulente au moyen d’une presse permettant d’obtenir un aggloméré ( appelé aussi comprimé) d’une forme proche de la pièce désirée.
> SECUNDO : Le frittage du comprimé. Cette opération s’effectue par chauffage en atmosphère appropriée à température inférieur au point de fusion du métal constituant principal, mais suffisamment élevée pour provoquer les liaisons des particules métalliques entre elles et consolider ainsi le produit issu de la phase précédente.


1) RAPPELS THÉORIQUES

1.1) Frittage en phase solide

La thermodynamique montre que, ce processus étant irréversible, l’enthalpie libre du système doit diminuer au cours de son évolution. Cette diminution résulte essentiellement d’une réduction de l’énergie de surface (surface libre des particules, puis surface des pores). On peut diviser le processus en deux stades: il y a d’abord formation de zones de raccordement, appelées «ponts» de soudure ou «cous» (voir paragraphe 4), entre particules en contact, puis disparition progressive de la porosité résiduelle.

1.2) Formation des ponts

Les particules de poudres étant supposées sphériques, de rayon r uniforme, et tangentes entre elles, deux groupes de mécanismes ont été proposés à partir de ce modèle théorique, suivant que les centres des sphères ne se rapprochent pas (évaporation-condensation ou diffusion superficielle) ou se rapprochent (écoulement visqueux, diffusion en volume). Dans le second cas, les agglomérés présentent un retrait notable et la porosité résiduelle est progressivement éliminée.

Pour établir la relation qui donne, à température donnée, la loi de croissance du rayon x du cou en fonction du temps , on tient compte du gradient de tension de vapeur qui existe entre les zones voisines de la surface convexe des sphères et les zones voisines de la surface concave du cou; on écrit alors que la variation de volume de ce cou par unité de temps est égale à la quantité de matière qui se condense à la surface de la zone de raccordement ; la formule de Kelvin, on arrive à l’équation n°1 dans laquelle x est le rayon du pont, r le rayon des particules de poudres, g l’enthalpie libre superficielle spécifique du matériau constituant les granules, p0 la pression de vapeur au voisinage d’une surface plane de ce matériau, a3 le volume d’un atome, d la densité, k la constante de Boltzmann, T la température absolue, M le poids atomique du matériau considéré, R la constante des gaz parfaits et t le temps.

On parle d’écoulement plastique si l’évolution morphologique s’opère par glissement suivant des plans et des directions cristallographiques et d’écoulement visqueux dans les autres cas. Dans l’hypothèse d’un écoulement newtonien, le déplacement des atomes s’effectue sous l’effet d’un cisaillement proportionnel au gradient de vitesse, la constante de proportionnalité étant égale à la viscosité du matériau considéré. Pour trouver la loi de croissance d’un pont, on écrit l’expression de l’énergie dissipée par l’écoulement du matériau (équation n°2).
Cet énergie est égale au travail effectué par les forces de surface, d’où on obtient l’équation n°3.

Le mécanisme mettant en jeu la diffusion en volume est fondé sur l’existence de gradients de concentration en lacunes entre les zones situées au voisinage immédiat de la surface latérale du pont (de rayon de courbure r faible) et les zones voisines (qu’il s’agisse du volume des sphères ou de leur surface). Il existe en effet au voisinage d’une surface concave de rayon de courbure r une sursaturation (c’est-à-dire un excès de lacunes) égale à DC (équation n°4) ; C0 désignant la concentration en lacunes au voisinage d’une surface plane et a3, en première approximation, le volume d’une lacune. Il suffit d’écrire que la variation de volume du pont par unité de temps est égale à celle qui résulte du départ des lacunes en excédent qui quittent la zone du pont en traversant une surface S parallèle à la surface limitant ce pont; on a l’équation n°5 où J étant le flux de lacunes diffusant par unité de temps et de surface. Cela suppose donc qu’il existe un gradient de lacunes entre la surface latérale du pont et une surface voisine de rayon de courbure plus grand. Comme les lacunes échangent successivement leur position avec celle des atomes voisins, on aura un flux inverse d’atomes venant constituer le pont. Il existe plusieurs hypothèses relatives à la nature du chemin suivi par les lacunes.

On a constaté expérimentalement qu’il existait couramment un joint de grain dans le pont; ce joint, séparant les volumes propres de chaque granule, a un rôle prépondérant puisqu’il sert de puits pour éliminer les lacunes; un gradient de concentration en lacunes s’établit dans le joint entre le cœur du pont et la surface externe, entraînant un flux antagoniste d’atomes qui diffusent intergranulairement vers la surface externe. Tous calculs faits, on arrive alors à l’équation n°6 ; Dj étant le coefficient.


1.3) Élimination des pores

Une fois les ponts de raccordement entre granules suffisamment développés, il existe entre eux des cavités résiduelles qu’il faut éliminer. On constate dans la pratique que, lors du frittage, la densité des agglomérés augmente progressivement en fonction du temps. Les mécanismes d’évaporation-condensation et de diffusion superficielle peuvent entraîner une modification de la morphologie des pores, mais ne peuvent pas diminuer leur volume. Seuls les mécanismes d’écoulement visqueux, de diffusion en volume et de diffusion intergranulaire peuvent rendre compte d’une telle réduction.

Les calculs sont simplifiés si l’on considère des modèles géométriques: pores cylindriques ou sphériques. Soit r le rayon d’un pore à l’instant t et r0 son rayon initial; on arrive, par exemple, à une relation du type équation n°7.
Si le mécanisme entrant en jeu est l’autodiffusion en volume et les pores sphériques; les pores de petite taille disparaissent en premier et les plus gros augmentent de volume en raison de l’existence de gradients de concentration en lacunes entre les petits pores et les plus gros.









2) AVANTAGES DE LA MÉTALLURGIE DES POUDRES

2. 1) Les avantages économiques

Les pièces frittées revendiquent deux avantages principaux :

- La diminution des coûts de matière première. La M.P. permet de remplacer le cycle complexe d’élaboration de pièces usinées, (demi-produit, ébauches, gamme d’usinage) par une gamme simple ( élaboration de la poudre métallique, compression, frittage) sans perte notable de matière.
- La réduction très importante des investissements. Le fait que la production de pièces mécaniques frittées peuvent être sous-traitée à des entreprises disposant des équipements nécessaires permet de réduire considérablement les investissements tant en machine outils d’usinage qu’en locaux industriels. Précisons également que cette industrie est non polluante. A aucun stade de la fabrication, il n’y a d’émission de fumées ou de produits nocifs.
- La souplesse de fabrication pour des cadences sujettes a des variations importantes et des temps de réponses réduits pour faire face à des demandes imprévisibles
- La sécurité d’approvisionnement surtout pour les grandes séries.

2. 2) Les avantages techniques

La métallurgie des poudres offre plusieurs avantages pour la réalisation de pièces mécaniques, notamment des avantages techniques comme :

- des tolérances semblables à celle des pièces usinées, une précision bien meilleure pour les dimensions situées dans des plans perpendiculaires au sens de compression,
- l’obtention de formes complexes sans répercussion sensible sur les coûts,
- la réalisation de formes et de profils irréalisables industriellement par d’autres méthodes,
- une très bonne reproductibilité quelle que soit la série,
- une très bonne résistance à l’usure, un faible coefficient de frottement, un bon état de surface, et leur corollaire : une réduction du temps de rodage,
- une possibilité de lubrification à vie.

En conclusion on remarque que les PMF (pièces mécaniques frittées) permettent une réduction pouvant atteindre 50% sur les prix de revient par rapport aux autres modes d’élaboration pour des séries minimales de 5000 à 15000 pièces.
Quant à la réduction des investissements en machine outils d’usinage, elle peut atteindre un facteur de 10 à 20 fois. Il s’agit là d’un élément de décision essentiel dans le choix d’une solution industrielle.


3) LES DÉBOUCHÉS INDUSTRIELS

Les pièces mécaniques frittées possèdent des caractéristiques étonnantes et permettent ainsi l’autolubrification qui s’emploi aussi bien dans les pièces technique que dans la bille du stylo a bille que vous utilisé tous les jours.
Mais leurs propriétés exceptionnelles en friction et en température permettent aussi de mettre au point des alliages jusqu’alors seulement imaginables.

3. 1) Les produits poreux

La MDP a rendu possible la fabrication de pièces offrant des porosités contrôlées, fines et uniformément réparties. On peut trouver des pièces avec 30% du volume total en pores. C’est autant d’espace qui peut être remplis de lubrifiant dans le cas d’un coussinet par exemple, on obtient ainsi une pièce autolubrifiante et capable d’effectuer des milliers d’heures de fonctionnement sans entretien.
Les produits poreux servent aussi pour les filtres métalliques qui suivant leurs composants serviront dans des milieux précis. Les plus connus étant les filtres métalliques en bronze ou acier inoxydable.

3. 2) Les matériaux de friction

Cette famille de pièces permet de créer des objets intégrants des éléments lubrifiants ou au contraire abrasifs. On retrouvent ce type de fabrication dans les embrayage ou les disques de freins (insertion de lubrifiants solide tels que le graphite, le plomb ou les bisulfures de molybdène dans la matrice métallique servant de liant) ou dans les machine d’abrasion (insertion d’agent de frottement et résistants à l’usure tels que la silice ou l’alumine dans la matrice métallique servant de liant).

3. 3) Les alliages magnétiques

Dans ce domaine on doit distinguer les matériaux magnétiques doux des matériaux magnétiques durs (aimants).
Les pièces frittées à caractère magnétiques (matériaux doux) sont très utiliser pour les petites pièces car le fritté procure un excellent rapport qualité prix. Les élément magnétiques sont directement intégrés à la poudre de fer et suivant les mélange on peut atteindre des perméabilité allant jusqu'à 20000 (pour des alliages type fer-nickel à très haute densité).
La fabrication des aimants purs n’est pas très rependue en frittage car elle n’est rentable que pour des lots très faibles.

3. 4) Les matériaux réfractaires

Ce sont les métaux réfractaires courants mais les métaux rares tels que le tantale ou le niobium. Leur point de fusion très élevé ne permet pas à la métallurgie classique de créer tous leurs alliages. Par contre le principe de frittage permet grâce à la forme première de poudre de monter moins haut en température et donc de créer des pièces très résistantes en température.


4. PROCÉDÉS DE MISE-EN-ŒUVRE

4.1) Procédé d’obtention d’une pièce frittée

La formation d’un compose fritté commence par la densification de la poudre métallique dans une matrice rigide ayant une cavité de contour plus ou moins complexe. Dans cette opération, de hautes pressions sont exercées sur la poudre dans la cavité de la matrice, simultanément par le dessous et le dessus, via plusieurs poinçons de compression se déplaçant verticalement. La pression permet aux surfaces des particules de poudre de s’interpénétrer opérant ainsi une sorte de soudure à froid entre les surfaces. Après l’éjection, les pièces sont suffisamment solides pour permettre une manipulation ultérieure.

Une pièce frittée est obtenue grâce à une matière première sous forme de poudre qui est comprimée, frittée puis traitée. Nous allons détailler ces différentes phases pour comprendre le moyen d’obtenir une pièce selon les caractéristiques voulues.

a – La compression

L’avantage des pièces frittées vient en partie de leur tenue mécanique. Cette particularité est due à la phase de compression. C’est en effet cette phase qui permet la densification de la poudre et délimite ainsi ses caractéristiques techniques telles que l’élasticité ou la dureté. La densification de la pièce est due à la déformation plastique des particules de poudre qui adaptent leurs contours aux particules adjacentes formant ainsi une structure liée.

La poudre est comprimée grâce à des presses de puissances différentes. La machine de compression est choisie en fonction des caractéristiques à obtenir mais aussi en fonction de la taille de la pièce à réaliser. La poudre de fer est achetée par tonne pour négocier les meilleurs prix. Un mixer bi-conique permet au poudrier de faire les mélanges voulus. Une deuxième solution est de plus en plus employée par la société : la commande directe de sacs de mélange.

Le cycle de compression peut être divisé en trois étapes :
- le remplissage de la matrice
- la densification de la poudre
- l’extraction du comprimé de la matrice

Chacune de ces trois étapes est caractérisée par des positions ou des mouvements spécifiques des parties individuelles de l’outil.

b – Le remplissage

La poudre tombe ou s’écoule par sa propre gravité depuis le dispositif de remplissage jusqu’à la cavité de la matrice. Les particules poudre doivent être de faible taille pour garantir une bonne coulabilité et un remplissage satisfaisant. En effet, si les particules font des pontages entre elles, un remplissage irrégulier se produit. Des manques de matière sur la pièce finale en résultent alors.

Pour une pièce de forme ambiguë, il faut faire attention à la tenue à vert. En effet, si le remplissage n’est pas régulier, la densification ne sera pas la même en tout point. Il faudra alors compenser ce phénomène par la pression de compression ou le mode compression.

c – La densification de la poudre

Du fait des frottements entre la poudre et les parois de la matrice, les comprimés sont plus denses à leurs deux extrémités près des poinçons de compression mobiles, qu’à leur centre. Le lieu de plus basse densité doit apparaître à mi-chemin entre le sommet et le bas du comprimé. Ceci n’est possible que si les poinçons se déplacent symétriquement par rapport à la matrice de compression. Ces mouvements sont obtenus de trois façons différentes :
- Une Matrice mobile, et deux poinçons bougeant symétriquement l’un vers l’autre ;
- Ou bien, un Poinçon inférieur immobile et matrice « flottante » ;
- Ou alors, un Poinçon inférieur immobile et matrice tirée vers le poinçon inférieur à vitesse moitié inférieure à celle du poinçon supérieur.





d - L’extraction du comprimé de la matrice

A la fin de la phase de compression, la matrice et les poinçons inférieurs sont déplacés l’un par rapport à l’autre de telle sorte que le comprimé soit poussé vers la sortie de la matrice. Pour obtenir cet effet, il importe peu que la matrice soit immobile et que les poinçons se déplacent ou vice versa. L’important est que, durant ce processus, les poinçons inférieurs ne bougent pas l’un par rapport à l’autre pour éviter la création de fissures dans le comprimé.

5. LES PARAMETRES DE FRITTAGE

Le procédé de frittage est régi par 5 paramètres :

5.1) Le temps et la température

Plus la température est haute, plus court est le temps de frittage nécessaire pour atteindre le degré désiré de liaison entre les particules de poudre comprimée. Ceci constitue un dilemme car du point de vue de l’efficacité en production, un temps de frittage plus court serait préférable mais cela implique de hautes températures de frittage donc un frittage moins économique du fait d’un coût de maintenance des fours plus élevé.

5.2) La structure géométrique des particules de poudre

A condition de frittage donné, les poudres fines ou à grandes surfaces spécifiques frittent plus vite que les poudres compactes plus grosses. Le dilemme est que les poudres plus fines sont plus difficiles à comprimer que les grosses, et les comprimés faits à partir de poudres plus fines ont un retrait plus important au frittage que ceux conçus avec les poudres plus grosses.

5.3) Condition de mélange des poudres

Les composants d’un mélange de poudre sont sélectionnés en type et quantité dans le but d’atteindre les propriétés physiques désirées et les changements dimensionnels contrôlés pendant le frittage. Lors du frittage, un alliage des composants va se produire. A la température de frittage usuelle (1150 °C), les processus d’alliages sont lents et l’homogénéisation des éléments d’alliage n’est pas atteinte. Mais si la poudre contient un élément dont la température de fusion est inférieure à celle de frittage alors sa phase liquide va accélérer le processus d’alliage.

5.4) La densité des comprimés de poudres.

Plus la densité d’un comprimé est grande, plus la surface de contact entre les particules de poudres est importante, et plus les processus de liaisons et d’alliages sont efficaces.

5.5) Composition de l'atmosphère protectrice du four de frittage.

L’atmosphère protectrice doit remplir plusieurs fonctions pendant le frittage. Elle doit protéger les pièces à fritter de l’oxydation et réduire le plus possible la présence d’oxydes résiduels. Elle doit également prévenir la décarburation des matériaux contenant du carbone, et, vice versa, empêcher la carburation de matériaux exempts de carbone. Dans la métallurgie des poudres de fer, les atmosphères sont de trois types :
- Type réductrice-décarburante : Hydrogène (H2), Ammoniac dissocié
- Type réductrice-carburante : endogaz
- Type neutre : Azote cryogénique, avec addition mineure d’Hydrogène

5.6) Le four

Le four est l’outil majeur du frittage car c’est lui qui va permettre d’obtenir les trois types d’atmosphères décrites précédemment.
Un four en continu de conception récente, pour le frittage de pièces mécaniques en poudre de fer, se compose habituellement de quatre zones d’utilité différentes :
1 ° Zone de délubrification où les lubrifiants sont brûlés entre 250 et 300°C
2 ° Zone chaude où les pièces en poudre de fer sont frittées à 1120-1150°C
3 ° Zone de restauration du carbone où les pièces décarburées superficiellement peuvent subir une carburation à 800-900°C
4 ° Zone de refroidissement où les pièces frittées sont refroidies jusqu'à environ 150-250 °C, avant d’être mises à l’air.

Dans l’idéal, chaque zone aurait besoin de sa propre combinaison de débit, direction et composition de l’atmosphère. Mais, ces conditions idéales ne peuvent pas être atteintes.

Si les fours ne sont pas correctement élaborés ou réglés, des problèmes thermodynamiques se produisent. Des défauts de forme ou des déficiences mécaniques de la pièce en résultent.

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asmak


l'un des types de frittage c'est la consolidation par pression atmosphérique ( CAP process). Est ce que vous pouvez me donner une explication de ce processus parce que j'arrive pas à comprendre comment peut en réaliser le dispositif de manipulation de ce type de frittage

Admin Hania


Bonjour


Essayez d'affiner votre recherche en anglais :


<< Hot Consolidation of Metal Powders : the "CAP" process >>
<< powder compactation process using cap model >>.



Cordialement.

asmak


merci beaucoup  Smile

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