Processus de Frittage

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métallurgie des poudres
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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.

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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.



Matrice mobile, et deux poinçons bougeant symétriquement l’un vers l’autre



Poinçon inférieur immobile et matrice « flottante ».



Poinçon inférieur immobile et matrice tirée vers le poinçon inférieur à vitesse moitié inférieure à celle du poinçon supérieur.






a) - premier principe : poinçon à déplacement symétrique

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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)



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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.


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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)



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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.

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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.

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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

Pour + de détails:
http://musty-s-cafarnaeum.chez-alice.fr ... ifmdp3.htm

IMPOSSIBLE DE CREER DES PIECES PARTIELLES!

[saby]

sans doutes plus rusé en décembre 1965 l'usine mg avait sortie une amélioration du système de synchronisation des pignons de seconde de leur boîtes de vitesse à trois synchro en recouvrant (coating) le cône de réception de la bague de synchro en acier de métal fritté (sintered metal surface en Anglais).
"the most important difference....if it is a new steel synchro gear, it will have a metal sprayed surface for the synchro ring to ride on...."

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" sans doutes..."

laisse une part à des probabilités, rien de certain comme dans certainement.
Bref, et puisque vous le dîtes vous-mêmes "it will have a metal sprayed surface", il en résulte que nous ne sommes pas du tout dans le processus de production via les métaux en poudre
Nous en sommes aux traitements de surfaces par métaux projetés "sprayed" du style "jet hot coating" ou grenaillage & métallisation.

Sans vouloir avoir absolument raison, il vaut tout de même mieux se méfier des traductions anglo-françaises. Chez nous un mot définit une chose, chez eux le contexte confirme le sens à donner à un terme assez générique au départ.
Le développement des métallurgies en poudres explorée à partir des années 30 a vu son développement lié aux problématiques automobiles à partir des années 50. Gros avantage, il est possible de créer tous les alliages possibles selon le dosage à des coûts très bas par rapport à la métallurgie classique.
Un site où l'on peut voir des exemples de pièces intéressantes:

http://www.sasfrance-sinter.fr/pdf/brochure_fr.pdf
HTH.

[MaximeR]

ehhhh oui...
notons également que les pièces frittées restent poreuses, ce qui réduit leur champ d'application.
Par exemple, si nous en revenons à nos titines, les poulies d'arbre à cames sur les F/TF sont en métal fritté. Elle sont donc très sensibles à la contamination par l'huile... c'est dommage car elles sont en contact avec la courroie de distribution en caoutchouc.