Produits frittés
La métallurgie des poudres est une méthode de fabrication de pièces mécaniques et d’outils, en compactant des poudres, ce qui est le frittage de ces poudres à l’état solide. Les composants ainsi obtenus sont appelés des « produits frittés ». Bien que la fabrication de certains articles, à partir de poudres, en particulier les bijoux en grains d’or fin frittés, soit connue depuis longtemps, le développement de la technologie moderne de frittage est relativement récent. Il est considéré que le début symbolique de l’approche moderne du frittage remonte à 1825, lorsque, en Russie, des pièces de monnaie en platine ont été frappées à partir de poudre obtenue par voie chimique.
Le développement rapide de l’industrie électrotechnique a accéléré le développement de la métallurgie des poudres. En 1909, les filaments des ampoules électriques ont été fabriqués à partir de poudres de tungstène, de tantale et de molybdène, ce qui a constitué une étape importante dans l’utilisation des poudres métalliques dans la technologie. Après la Première Guerre mondiale, le frittage a commencé à être utilisé dans la production d’outils, et durant la Seconde Guerre mondiale, les pièces de machines ont été de plus en plus obtenues par frittage.
Après la guerre, la technologie s’est développée de manière dynamique, en particulier avec le développement de l’industrie automobile, qui représente dans certains pays plus de la moitié des produits frittés. Outre l’industrie automobile, les produits frittés sont utilisés, entre autres, dans l’ingénierie électrique, l’industrie des produits métalliques, l’industrie des machines-outils et l’industrie de la construction (par exemple, les raccords). En pratique, il est désormais difficile d’identifier une industrie dans laquelle des produits frittés ne sont pas utilisés.
Cet article s’inspire du manuel « Metaloznawstwo » du Professeur Stanisław Rudnik . Le contenu suivant n’est qu’un aperçu général du sujet. Pour ceux qui s’intéressent au sujet, nous recommandons vivement d’approfondir la littérature.
Pourquoi le frittage est parfois préférable à la fusion ?
L’avantage le plus notable du frittage est la possibilité d’obtenir des composants de forme très précise, souvent si proche de la forme finale que l’usinage coûteux et laborieux peut être réduit. Il en résulte une diminution des pertes de matière, qui dans cette technologie ne dépassent généralement pas 7 à 10 %.
Le frittage facilite également la production de matériaux de haute pureté, exempts d’impuretés, qui, parfois, ne peuvent être éliminées dans les processus métallurgiques conventionnels. Les matériaux frittés ne subissant pas les phénomènes de ségrégation typiques de la cristallisation des alliages, ils ne présentent donc pas les défauts caractéristiques du processus de solidification.
Un autre avantage, et de taille, est la possibilité de combiner des composants qui ne pourraient pas être associés par fusion, notamment en raison de grandes différences de températures de solidification ou d’un manque de solubilité mutuelle. Cela facilite également la production de matériaux métallo-céramiques, les composites, qui sont pratiquement impossibles à obtenir dans la métallurgie classique.
Toutefois, la limitation est à trouver dans l’économie d’échelle. La technologie de frittage est principalement rentable dans la production de masse, en raison des coûts élevés des poudres, des équipements et des outils.
Il convient également de rappeler que les propriétés mécaniques des matériaux frittés sont généralement inférieures à celles des matériaux solides, car les matériaux frittés conservent une certaine porosité. Selon l’application, la porosité peut être un inconvénient, notamment lorsque la capacité de charge est importante. En revanche, elle peut également être utilisée délibérément comme étant une caractéristique fonctionnelle, dans les roulements autolubrifiants, pour citer un exemple.
Les poudres métalliques comme matières premières
Les matières premières de base pour la fabrication de produits frittés sont les poudres métalliques pures (par exemple, le fer, le cuivre et le manganèse) ainsi que les poudres d’alliages (par exemple, les bronzes, les laitons et les aciers inoxydables). Ces poudres peuvent être produites par des méthodes mécaniques ou physico-chimiques. Les méthodes mécaniques impliquent la fragmentation du matériau par des forces externes, sans modifier sa composition chimique, tandis que dans l’autre méthode, la poudre est produite à la suite de transformations physico-chimiques et, en règle générale, sa composition diffère de celle du matériau de départ.
Les méthodes mécaniques incluent le broyage du métal dans des broyeurs, notamment à boulets, à vortex ou à marteaux. Sont également utilisés, le broyage par usinage (copeaux, limaille), le séchage par atomisation du métal liquide avec de l’eau ou du gaz sous pression, et la granulation, qui consiste à verser du métal liquide dans l’eau, où il se solidifie en fines particules.
Les méthodes physico-chimiques les plus couramment utilisées comprennent la réduction des oxydes, ce qui est économique, car elle permet d’utiliser des minerais ou des oxydes résiduels issus du processus de fusion. Par ailleurs, est utilisée l’électrolyse à partir de solutions aqueuses ou de sels fondus, importante, mais coûteuse en raison de la consommation d’énergie et d’un rendement moindre. Et puis, la décomposition des carbonyles, qui produit des poudres très pures, également coûteuses, ainsi que la condensation des vapeurs métalliques sur une surface froide, ou bien les méthodes d’électroérosion, qui sont restées longtemps sous-développées ou sous-utilisées.
Avant la formation de la poudre, des opérations préparatoires sont effectuées, ce qui influence fortement la qualité des produits. Le recuit augmente la plasticité des poudres en réduisant les oxydes résiduels et en éliminant le broyage. Celui-ci est effectué dans une atmosphère réductrice, ou sous vide, à une température de 0,4 à 0,6 du point de fusion de la poudre. Le criblage permet la séparation en fractions de différentes tailles de particules et permet de contrôler la composition granulométrique des mélanges. Ces derniers visent à produire un mélange aussi homogène que possible, tandis que sa qualité détermine la répétabilité ultérieure de la densité des moulages ainsi que les paramètres des produits frittés.
Formation des moulages
Le mélange de poudre préparé est pressé pour obtenir des produits semi-finis, c’est-à-dire des moulages, ayant la forme et les dimensions souhaitées et la résistance nécessaire pour le transport et le frittage ultérieur. Le plus fréquemment, le pressage est effectué dans des presses en acier. La forme et les dimensions des produits frittés s’en trouvent largement limitées par les capacités de pressage, c’est pourquoi cette opération détermine si une pièce donnée peut être fabriquée à l’aide de cette méthode.
Une presse typique se compose d’une matrice et de poinçons supérieurs et inférieurs. La matrice façonne les surfaces latérales de la pièce moulée, le poinçon inférieur empêche la poudre de se répandre et façonne la surface inférieure, tandis que le poinçon supérieur forme la surface supérieure. La presse peut comporter des éléments supplémentaires, tels que des broches pour former des trous. Il existe des systèmes de pressage double face avec une matrice fixe, ou bien des solutions avec une matrice mobile, qui facilitent alors l’éjection du moulage.
Pendant le pressage, le processus de compactage de la poudre se déroule en plusieurs étapes. Tout d’abord, les particules comblent les espaces vides et s’agencent de manière de plus en plus compacte, en recherchant la disposition la plus dense possible. Le compactage se poursuit par la déformation des particules et leur déplacement mutuel. Dans la pratique, ces mécanismes se chevauchent, puisque certaines particules se déforment, y compris à des pressions plus faibles et des déplacements peuvent également se produire à des pressions élevées. Étant donné que le pressage affecte la densité initiale de la pièce moulée et la répartition de la porosité, il influence directement le processus de frittage et les propriétés du produit fini.
Méthodes de formage alternatives lorsque le pressage n’est pas suffisant
Dans une matrice, le pressage classique dans une matrice impose des limitations géométriques, en particulier dans le sens de la force, et peut entraîner une répartition inégale de la densité dans le moulage. C’est pour cette raison que des méthodes de formage spéciales ont été développées, permettant ainsi de façonner des éléments de proportions différentes, de bénéficier d’une densité plus uniforme ou de réaliser des détails difficiles à produire dans une presse simple.
Les matériaux admettent le pressage hydrostatique, le moulage sous pression, le laminage de poudre, l’extrusion, le formage par vibration et le formage dynamique, avec des taux de déformation élevés, pour citer ici quelques exemples de telles méthodes.
Dans la pratique, le choix de la méthode est un réel compromis. D’une part, l’objectif est de bénéficier d’un détail « non usiné », tandis que d’autre part, il faut tenir compte, pour tout frittage ultérieur, des coûts d’outillage, des tolérances requises, de la répétabilité de la densité et de l’incidence de la méthode de formage particulière.
Frittage
Le frittage consiste à chauffer les pièces moulées à haute température, ce qui transforme la poudre comprimée en un produit fritté dont les propriétés sont similaires à celles d’un matériau solide. Il s’agit d’une étape primordiale de la production, qui suscite donc le plus d’intérêt, mais simultanément, il est depuis longtemps souligné qu’il n’existe pas de théorie générale unique couvrant l’ensemble des phénomènes de frittage ! Le processus est réalisé dans une atmosphère protectrice, ou bien sous vide, afin de protéger le matériau de l’oxydation, et la température de frittage est généralement inférieure au point de fusion du composant le plus facilement fusible.
Le processus de frittage et les propriétés des matériaux frittés sont principalement influencés par…
– la granulation de la poudre (une plus grande dispersion accélère le frittage et favorise une augmentation des propriétés mécaniques et électriques),
– la pression de compression (son augmentation augmente généralement la résistance des matériaux frittés),
– la température de frittage (plus la température est élevée, plus la densité du matériau fritté est importante),
– le temps de recuit (à température constante, la densité augmente rapidement au début, puis plus lentement, ce qui affecte les propriétés).
L’atmosphère du processus est également importante. Effectivement, le frittage dans une atmosphère réductrice donne des matériaux frittés avec une densité plus élevée que le frittage dans une atmosphère inerte.
Après le frittage, une finition est fréquemment utilisée, en particulier lorsque des tolérances plus strictes ou une meilleure rugosité de surface sont requises. Les composants structurels peuvent également subir un traitement thermique, ainsi qu’un traitement thermochimique de manière à augmenter leur résistance à l’usure et à la fatigue, ou bien d’améliorer leur capacité de charge. C’est pourquoi la métallurgie des poudres est parfois considérée comme une technologie de fabrication complète, depuis la poudre jusqu’au réglage final des dimensions et de la structure, en passant par le formage et le frittage.
Source : Introductio n à la métallurgie des poudres : des poudres au frittage en passant par le pressage et les applications typiques (document en anglais).
Matériaux et produits frittés
Parmi les produits frittés les plus importants, nous trouvons les matériaux frittés poreux, les matériaux pour l’ingénierie électrique, les matériaux aux propriétés magnétiques spéciales, les matériaux structurels, les métaux réfractaires frittés et les outils frittés.
Les matériaux frittés poreux sont particulièrement caractéristiques et sont utilisés pour les paliers lisses, les filtres, les catalyseurs, les rondelles et les composants à coefficient de frottement élevé.
Les paliers frittés ont de très bonnes propriétés de glissement, car durant le fonctionnement, le lubrifiant circule dans les pores existants. Ceci facilite la formation d’un film d’huile entre le tourillon et la coquille du palier et produit un effet autolubrifiant. Dans de nombreux cas, une lubrification externe peut être inutile, ce qui est important pour les composants de machines difficiles d’accès. La porosité des paliers frittés est généralement de 10 à 35 %, et leur fonctionnement silencieux, par rapport aux roulements à rouleaux, constitue un avantage supplémentaire. Leur technologie est simple, ne nécessite souvent aucun usinage, et leur installation ainsi que leur fonctionnement sont facilités. Les matériaux utilisés pour les paliers frittés ne contiennent pas de composants rares, c’est pourquoi ils sont moins onéreux que les solutions moulées, et ce, dans de nombreuses applications.
Historiquement, des bronzes de composition similaire à celle des bronzes moulés étaient utilisés pour les roulements frittés, puis des additifs ont été introduits de manière à améliorer les propriétés antifriction, principalement du graphite. Il est indiqué que le coefficient de frottement de ces roulements peut être 7 à 8 fois inférieur à celui du babbitt et que l’usure des tourillons est négligeable. Des matériaux frittés poreux à base de fer et de fer-graphite ont été introduits comme alternatives moins coûteuses.
Les matériaux les plus couramment utilisés pour les roulements sont le fer poreux, les matériaux frittés à base de fer et de graphite, avec une teneur en graphite d’environ 1 à 3 % (le reste étant du fer) et les bronzes graphite, avec une composition d’environ 86 à 88 % de Cu, 9 à 10 % de Sn et 2 à 4 % de graphite. Il existe également des paliers frittés à base d’aluminium, par exemple, avec une composition d’environ 10 % de Cu et 3 % de graphite (le reste étant de l’Al).
Les filtres en matériaux frittés sont largement utilisés dans l’industrie chimique. Ils sont fabriqués à partir de poudres de matériaux résistants à la corrosion tels que les bronzes, les aciers inoxydables, le nickel, l’argent et le platine, ainsi que les métaux réfractaires ou leurs alliages. Grâce à leur haute porosité, les taux de filtration peuvent être très élevés, ce qui, combiné à la simplicité de fabrication, favorise le développement rapide de ce type de filtre. Les matériaux frittés, en particulier le fer poreux, sont également utilisés comme matériaux d’étanchéité sous forme de rondelles pour les joints de tuyaux, les raccords, les brides et les conduits.
Les matériaux frittés constituent également un bon matériau pour les composants à coefficient de frottement élevé, tels que les plaquettes de frein et les composants de transmission de couple. Ces applications exigent un coefficient de frottement élevé et stable sur une large plage de températures, une résistance élevée à l’abrasion avec une résistance suffisante, une bonne conductivité thermique et une résistance à la corrosion et à l’usure. Étant donné que ces exigences sont parfois contradictoires, le frittage facilite la production d’un matériau « composite » de phases métalliques et non métalliques. Ce qui fait que les composants métalliques favorisent la conductivité thermique, tandis que les composants non métalliques (par exemple, SiO2 ou Al2O3) augmentent le coefficient de frottement et réduisent l’usure.
Produits frittés fonctionnels et structurels
Les produits frittés sont importants dans le domaine de l’ingénierie électrique et des communications, car ils ont permis de remplacer des matériaux coûteux et rares, ainsi que d’arriver à produire des plastiques aux propriétés uniques. Un exemple classique est celui des contacts électriques, qui doivent offrir, à des niveaux très élevés, à la fois une conductivité électrique et thermique, un point de fusion et une résistance à la corrosion, une résistance mécanique et une résistance à l’électroérosion. La combinaison de différents composants, dans des procédés de poudrage, facilite l’impétration d’un tel ensemble de caractéristiques.
Le frittage est également utilisé dans le cadre de matériaux devant présenter des propriétés magnétiques spéciales, en particulier des matériaux magnétiquement durs, c’est-à-dire des aimants permanents.
Comparé au moulage, la production d’aimants par frittage est plus efficace, entraîne moins de pertes de matière et ne nécessite généralement qu’une finition mineure. Les alliages fer-nickel-aluminium durcis par dispersion sont indiqués comme matériaux pour les aimants frittés. Il convient ici de souligner que les propriétés des aimants frittés sont meilleures que celles des aimants moulés et que leur fragilité est moindre, bien que la présence de pores puisse légèrement altérer les paramètres magnétiques.Dans le domaine des matériaux de construction, le frittage était initialement et principalement utilisé pour les composants qui ne pouvaient pas être fabriqués par d’autres moyens. Cependant, au fil du temps, dans la production de pièces mécaniques classiques, cette technologie a commencé à concurrencer le moulage et l’usinage. Sur le plan économique, principalement en raison du coût des presses, cette technologie n’est généralement rentable que pour la production de masse, les matériaux indiquant un seuil de plus de 50 000 pièces. Les propriétés des pièces frittées sont légèrement inférieures à celles des pièces moulées, mais dans la pratique, des pièces présentant une porosité de 5 à 20 % sont fréquemment produites, cette diminution des propriétés étant considérée comme acceptable en regard des avantages de production. Parmi les exemples de composants frittés, nous pouvons citer les engrenages, les segments de piston, les aubes de compresseur, les enjoliveurs, les tés et les roues d’entraînement. Si nécessaire, ces composants peuvent être soumis à un traitement thermique ou thermochimique supplémentaire.
Métaux réfractaires, outils frittés et composites renforcés
La technologie de frittage joue un rôle particulier dans la production et le traitement des métaux réfractaires tels que le tungstène, le molybdène, le tantale, le niobium et le zirconium. Ces métaux sont très présents dans les technologies nucléaires et spatiales, entre autres, et en raison de leur point de fusion très élevé, ils sont souvent utilisés sous forme de poudre, puis pressés et frittés pour obtenir la forme et la densité requises.
Les matériaux frittés pour outils sont également très importants. Outre les carbures frittés (généralement considérés séparément comme un groupe de matériaux pour outils), il existe des matériaux frittés diamant-métal destinés au meulage. Dans ces matériaux, il est primordial de combiner une phase abrasive très dure avec une matrice qui permet le transfert de charge et la stabilisation des grains abrasifs, ce qui est technologiquement possible dans l’approche par poudre.
Les matériaux composites, c’est-à-dire les métaux renforcés de fibres, constituent, dans le développement de la métallurgie des poudres, une orientation importante. Le renforcement par fibres permet d’atteindre une limite d’élasticité particulièrement haute, même à des températures élevées, et augmente la résistance fragile à la rupture. Nous pouvons citer ici comme exemples, le cuivre renforcé par des fibres de tungstène ou de molybdène, les alliages d’aluminium développés renforcés par des fils d’acier, et le fer renforcé par des oxydes d’aluminium, ou bien des fibres de titane et de molybdène, qui peuvent multiplier sa résistance par 3 à 5. C’est en ce sens que la métallurgie des poudres est un outil pour le façonnage, autant que pour la conception de l’architecture du matériau.
Produits frittés – Résumé
La technologie de frittage (métallurgie des poudres) permet de produire des composants à partir de poudres métalliques à l’état solide, souvent dans une forme très similaire à celle du produit final, ce qui réduit l’usinage et les pertes de matière. Sa force réside également dans la possibilité de bénéficier d’une grande pureté ainsi que d’une grande homogénéité, tandis que de combiner des composants difficiles ou impossibles à combiner par fusion devient faisable, ceci incluant la production de matériaux métallo-céramiques.
Les facteurs clé pour la qualité des matériaux frittés sont donc…
– la méthode d’obtention et de préparation des poudres,
– les conditions de pressage (qui déterminent la densité du matériau pressé),
– les paramètres de frittage (température, durée et atmosphère).
Le coût des poudres et des équipements reste une contrainte, c’est pourquoi cette technologie est plus rentable dans la production de masse, tandis que les propriétés mécaniques des matériaux frittés peuvent être inférieures en raison de leur porosité.
Le potentiel de la métallurgie des poudres est particulièrement évident dans les applications pour lesquelles la porosité est un avantage ou offre des avantages fonctionnels, notamment pour les roulements et les filtres autolubrifiants, ainsi que dans les matériaux soumis à des exigences complexes, parfois contradictoires, tels les matériaux de friction, les contacts électriques, les aimants permanents. Cette technologie joue également un rôle important dans le traitement des métaux réfractaires, des matériaux d’outillage et des composites renforcés de fibres, où elle permet de concevoir l’« architecture » du matériau.
