| III – La Métallurgie des Poudres
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.
A – Elaboration de la pièce frittée
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.
1 – 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.
2 – 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.
3 – 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.
a)
- premier principe : poinçon à déplacement
symétrique
La matrice et la
broche centrale ne changent pas de position au cours de la densification de la poudre.
Pendant l’éjection, la broche centrale reste dans le comprimé jusqu'à ce que celui
ci ait quitté la matrice et qu’il soit détendu élastiquement. Ensuite la broche
centrale est retirée sans frottement. (voir schéma suivant)
b)
- Second principe avec matrice
« Flottante »
Le processus de la
matrice flottante ne demande que deux simples fonctions d’une presse : un
mouvement vers le bas généré par un piston supérieur capable d’exercer de grande
force, et un mouvement vers le bas généré par un piston inférieur capable
d’exercer des forces inférieures aux précédentes. L’inconvénient d’un
tel système est que le mouvement de la matrice pendant la densification est entièrement
généré par des forces de frottement qui sont incontrôlables puisqu’elles sont
lourdement influencées par les variations de la teneur en lubrifiant de la poudre, par
les variations de températures de la matrice pendant la production, et par l’usure
progressive des parois de la matrice.
c)
Troisième principe : variation des vitesses de
poinçon
Le poinçon de
droite est, via une tige de connexion, soulevé à sa position de remplissage par un
ressort. Pendant la phase de compression, le piston inférieur de la presse abaisse le
plateau de la matrice à la moitié de la vitesse du poinçon supérieur, tandis que le
poinçon inférieur de gauche reste sur le plateau de base immobile de l’adaptateur.
Sous l’effet de l’augmentation de pression dans la poudre densifiée, le
poinçon inférieur droit se déplace vers le bas, contre la force du ressort de support,
jusqu'à ce qu’il repose sur le porte outil. Après compression, le piston inférieur
de la presse continue à tirer le plateau de la matrice vers le bas, et le coin attaché
au plateau de la matrice force le porte outil de côté. Le poinçon inférieur droit,
cette fois non supporté, suit le panneau de la matrice vers le bas jusqu'à ce que le
comprimé soit complètement sorti de l’outil de compression. (voir schéma)
4 - 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 - Le frittage
a) - Les paramètres
le procédé de
frittage est régi par 5 paramètres :
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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
b) - 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
– la zone de délubrification où les lubrifiants sont brûlés entre 250 et 300°C
2 – la zone chaude où les pièces en poudre de fer sont frittées à
1120-1150°C
3 – la zone de restauration du carbone où les pièces décarburées
superficiellement peuvent être recarburées à 800-900°C
4 – la 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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