Brevet FR2011681A1 — publié le 19700306

-1- 2011681 La présente invention se rapporte à une poudre d'acier allié destinée à être utilisée dans la métallurgie des poudres, ainsi qu'à un procédé de fabrication de cette poudre. Il existe plusieurs procédés de base par lesquels on 5 peut préparer une poudre métallique destinée à être utilisée dans les opérations de la métallurgie des poudres. Cette poudre métallique peut être préparée par des procédés électrolytiques, des procédés de réduction ou par des procédés de pulvérisation par l'air ou par l'eau, tels que ceux décrits dans le brevet 10 des Etats-Unis d'Amérique n° 3.325.277 . Suivant le procédé de ce brevet, on fait couler de l'acier en fusion par gravité, sous la forme d'un courant descendant et on projette une série de lames d'eau planes contre le courant d'acier en fusion avec un angle d'incidence propre à pulvériser le courant en fusion et à 15 produire des agglomérats de particules sphéroïdeles. Ensuite, on soumet les particules à un traitement de recuit à une température d'environ 815°C à 980°C dans une atmosphère réductrice pendant un temps suffisant pour ramollir les particules et pour réduire la teneur au carbone à moins de 0,05 %• A la suite de 20 ce traitement de recuit, on soumet les particules à un broyage au broyeur à marteaux pour briser la structure en gâteau formée au cours du recuit et rétablir la forme de particules pulvérisées. La poudre d'acier formée par le procédé du brevet préci-25 té présente, après compression et frittage, une haute densité et des propriétés physiques supérieures. On a constaté que, lorsqu'on applique un procédé tel que celui décrit dans le brevet précité pour former une poudre d'acier allié en utilisant des formules classiqués pour les 30 aciers, il se pose des problèmes qui sont dus à la faible com-pressibilité de la poudre d'acier. Les aciers alliés élastiques propres à subir des traitements thermiques contiennent en général une combinaison de plusieurs des éléments suivants : de 0,40 à.3,75 % cLe nickel, 0,30 à 1,6 % de chrome, 0,08 à 0,60 % de mo-35 lybdène, 0,30 à 1,9 % de manganèse et 0,20 à 1,6 % de silicium. Les éléments d'alliage mentionnés ci-dessous forment des oxydes au cours de la pulvérisation et au cours du traitement de recuit consécutif et on a constaté que les oxydes de silicium BAD ORIGINAL 69 19938 -2- 2011681 et de manganèse sont extrêmement réfractaires et difficiles à réduire au cours du recuit. Il en résulte que les poudres formées à partir des compositions d'aciers alliés classiques ont une haute teneur en oxydes, qui se présentent sous la forme 5 d'inclusions5 ce qui réduit la ductilité, la résistance à l'impact et la résistance à la fatigue de la poudre comprimée résultante. En outre, les oxydes de manganèse et de silicium non réduits accroissent la dureté des particules d'acier en diminuant 10 ainsi la compressibilité de la poudre. La présente invention vise à obtenir une poudre d'acier allié perfectionnée, présentant une plus faible teneur en oxygène , ou une plus faible perte d'hydrogène, et possédant une haute compressibilité. 15 L'acier à utiliser dans le procédé suivant l'invention peut être produit par l'un quelconque des traitements classiques d'élaboration des aciers, tels que les traitements au four couvert, ou au four électrique, le traitement basique à l'oxygène etc. L'acier contient jusqu'à 0,40 % en poids de carbone et de 20 préférence 0,06 % à 0,12 % de carbone. En outre, l'acier allié contient un composant du groupe suivant : 0,20 à 3,0 % de nickel, 0,20 à 1,0 % de chrome et 0,20 à 1,0 % de molybdène et leurs mélanges. La teneur en silicium de l'acier allié doit être mainte-25 nue à moins de 0,10 % en poids et la teneur en manganèse doit être inférieure 0,50 % en poids« En outre, les teneurs de l'alliage en titane et en aluminium doivent être inférieures à 0,05 % et les teneurs en soufre et en phosphore doivent être respectivement inférieures à 30 0,04 % et à 0,035 %• La poudre d'acier est produite par une installation analogue à celle décrite dans le brevet précité. L'acier en fusion contenu dans la nourrice est à une température d'environ 1?00®G et s'écoule par gravité de cette nourrice à travers une série de 35 fentes ou tuyères. On projette une mince lame ou un mince rideau d'eau contre les filets d'acier en fusion, en formant un angle supérieur à 5° avec l'axe des filets et, en général, un angle de 15 à 55° avec la verticale. bap original 69 19938 -5- 2011681 La température de l'eau utilisée dans cette opération de pulvérisation n'est pas critique et elle est généralement inférieure à 71°C« L'eau est projetée sous une pression élevée, 2 généralement supérieure à 35 kg/cm et, pour la plupart des opé- 2 n' 5 rations, supérieure à 70 kg/cm . Il y a pas de limite maximale pour la pression de l'eau, et, normalement, la valeur de la pression maximale est déterminée^ar les appareils de pompage utilisés. Pour la pulvérisation, la pression de l'eau est liée à l'angle selon lequel les lames d'eau sont projetées contre le 10 courant d'acier en fusion. Lorsque l'angle diminue et que la direction se rapproche de la verticale, la pression de l'eau doit croître de façon correspondante. En général, la composante horizontale de la vitesse de l'eau doit être supérieure à 32 mètres par seconde pour produire le type d'agglomération désirée 15 des particules. L'eau est de préférence projetée sous la forme de lames minces ayant une épaisseur inférieure à 2 mm et de préférence inférieure 1,2 mm à la sortie des tuyères. Les tuyères sont agencées, par rapport aux courants d'acier en fusion, de façon 20 que les lames d'eau ne s'évasent pas dans une mesure appréciable mais conservent leur épaisseur sans changément' au moment où elles frappent les courants d'acier en fusion. Les minces lames d'eau frappent l'acier en fusion et pulvérisent l'acier pour produire des agglomérats formes de chaînes 25 de particules de forme générale sphéroïdale. La poudre d'acier présente, aussitôt après la pulvérisation, une dimension de particules telle qu'au moins 85 % des particules passent au tamis à mailles de 0,177 nun et que au moins 75 % passent au tamis à mailles de 0,149 mm. ' 30 A la suite de la pulvérisation, la poudre d'acier est soumise à un traitement de recuit qui a pour effet de ramollir les particules, de réduire le film d'oxyde et à diminuer sensiblement la teneur en carbone. Pendant le recuit, on chauffe la poudre à une température comprise entre 815°0 et 1150°0 et de préfé-35 rence 900°C et 1010°C, dans une atmosphère réductrice telle que l'ammoniac dissocié^ l'hydrogène ou d'autres gaz réducteurs décarburants classiques. Au cours du recuit, la teneur en carbone des particules 69 19938 -t- 2011681 dfacier est ramenée à une valeur inférieure à 0,05 % st, e31 général, à une valeur comprise entre 0,001 % et 0,02 %. La poudre recuite a une perte d'hydrogène ou une teneur en oxygène inférieure à 0,40 % et, dans la plupart des cas, inférieure à 0,25%. 5 Si on n'utilise pas de chrome dans l'acier allié ou si la teneur en chrome est comprise dans la partie inférieure de l'intervalle mentionné ci-dessus, la perte d'hydrogène sera en général inférieure à 0,25 °/o. Si la teneur en chrome est comprise dans la partie supérieure de l'intervalle mentionné, la perte d'hydrogène 10 peut être supérieure à 0,25 °/° mais en restant inférieure à 0,40%. Pour obtenir la ductilité optimale et obtenir par conséquent la densité maximale pour une pression de compression donnée ainsi que des propriétés physiques améliorées dans le produit fritté, la poudre doit être maintenue à la température de recuit pendant 15 au moins 1,5 heure et, de préférence pendant 2 heures. A la suite du recuit, les particules sont généralement agglomérées en gâteau et on les sépare par traitement au broyeur à marteaux. Le broyage au broyeur à marteaux qui est un traitement par percussion brise le gâteau fritté sans cependant dé- . 20 truire l'agglomération irrégulière des particules et il a pour effet de rendre à la poudre la dimension de particules qu'elle avait immédiatement à la suite de la pulvérisation. La poudre d'acier allié résultante possède une densité apparente, qui est la densité à l'état non comprimé, définie 25 par l'essai ASTM B-212-48, comprise entre 2,6 et 3»3« la poudr d'acier allié a une densité à l'état comprimé supérieure à 6,4 et généralement comprise dans l'intervalle allant de 6,4 ou 6,8, La densité à l'état comprimé est mesurée à une pression de tas- p sement de 2140 kg/cm , suivant la définition de l'essai ASTM 30 B-331-58T, à l'exception du fait qu'on-a mélangé à la poudre 0,5 % de lubrifiant sec constitué par du stéarate de zinc. La poudre d'acier allié résultante peut être utilisée pour former divers éléments de machines ou combinaisons de tels éléments par des traitements classiques de la métallurgie des 35 poudres. On peut éventuellement mélanger un lubrifiant classique tel que le stéarate de zinc et une quantité de carbone supplémentaire à la poudre d'acier allié au moyen d'un appareillage mélangeur approprié. Ensuite, on comprime la poudre mélangée en la 69 19938 -5- 2011681 moulant à la forme desiree par une pression de compression ge- 2 néralement supérieure à environ 1000 kg/cm et de préférence 2140 kg/cm" ou plus. A la suite de cette compression, on fritte la poudre 5 d'acier allié dans une atmosphère réductrice à une température comprise dans 11 intervalle de 1100 à 1250°C pendant 10 minutes à 1 heure, suivant la composition et la densité finale désirée. Les éléments frittés sont propres à subir tm traitement thermique secondaire tel qu'une carburation, une carbonitruration, une ni-10 truration ou traitement purement thermique y compris une trempe et un revenu. En outre, les éléments frittés peuvent être recomprimés après le frittage, soit à chaud, soit à froid, pour obtenir une densité approchant à 100 % la densité théorique du métal. La dimension des particules de la poudre d'acier est 15 déterminée par la phase de pulvérisation et aucun traitement de broyage ou concassage n'est nécessaire pour obtenir des particules de petites dimensions, comme cela est souvent nécessaire dans la plupart des procédés classiques. L'opération de broyage au broyeur à marteaux après le recuit a pour effet de briser le 20 gâteau ou aggloméré et ne constitue pas une opération de broyage proprement dite du fait que la dimension des diverses particules individuelles n'est pas réduite mais que les particules sont simplement commises dans leur On donnera ci-dessous des exemples particuliers du trai-25 tement suivant l'invention. Exemple 1 On introduit dans une nourrice un acier en fusion ayant la composition suivante, indiquée en pourcentages en poids î Carbone 0,014 30 Manganèse 0,190 Phosphore 0,006 Soufre 0,020 Silicium 0,060 Chrome 0,470 35 Nickel 0,620 Molybdène 0,410 Fer complément La température de l'acier allié fondu est de 1677°C et 69 19938 -6- 2011681 on fait passer l'acier lentement par gravité à travers une tuyère de sortie ayant un diamètre intérieur de 11 mm on projette contre l'acier en fusion deux courants ou rideaux d'eau dirigés à l'opposé l'un de l'autre, et inclinés vers le bas en formant un sn-5 gle de 33° avec l'axe du courant d'acier an fusion pour pulvériser l'acier « La température de l'eau est initialement de 20°C et elle a une température finale de 59°0 2 une pression de 73,8 kg/cm et avec un" débit de 3200 litres à la minute. Les lames d'eau sont projetées à travers des fentes 10 de 76 mm de longueur-et de 1 mm de largeur® La poudre d'acier allié résultante, obtenue directement; après laÊulfrérisafcion, présente la granulométrie suivante ; Tamis à mailles de Proportions retenues sur la ________ * tamis 15 0)297 mm traces 0,177 0,9 % 0,149 5,7 % 0,105 ' 15,5 % 0,74 16,8 % 20 0,062 11,8 % fines 49,3 % On a ensuite recuit la poudre d'acier allié dans 1'ammoniac dissocié à une température de 927°G pendant 2 heures puis on l'a ensuite refroidie dans une atmosphère d'ammoniac dissocié 25 pour la ramener à 62°C puis refroidie à l'air pour la ramener à la température ambiante. La poudre d'acier recuit présente l'analyse suivante, en pourcentages en poids„ 30 35 Carbone 0,010 Manganèse- ' 0,150 Phosphore 0,002 Soufre 0,020 Silicium 0,030 Nickel 0,600 Chrome 0,480 Molybdène 0,380 Perte d'hydrogène 0,340 1er complément bad ordinal 69 19938 -7- 2011681 On broie ensuite la poudre d'acier allié au broyeur à marteaux pour la ramener à l'état résultant de la pulvérisation et cette poudre présente une densité apparente de 2,85» uo-e densité à l'état comprimé à orne pression de tassement de 2140 kg/ 2 2 5 cm de 6,45 et une résistance à l'état vert de 0,77 kg/mm , mesurée avec un pourcentage de 0,75 % cLe lubrifiant stéarate de 2 zinc, et après compression à une pression de 2140 kg/cm . Après le recuit et le broyage au broyeur à marteaux, la poudre d'acier allié présente l'analyse granulométrique suivante: 10 Tamis à mailles de Proportions retenues sur le tamis 0,177 11111 °»6 % f 0,149 4,8 % 0,105 14,1 % 15 0,074 21,6 % 0,062 8,1 % 0,044 21,2 % fines 29,6 % Exemple 2 20 On verse dans une nourrice de l'acier en fusion ayant la composition suivante, mesurée en pourcentages én poids. Carbone 0,026 Manganèse 0,120 Phosphore 0,011 25 Soufre 0,015 Silicium 0,110 Chrome 0,270 Nickel 0,280 Molybdène 0,210 jO Fer complément On pulvérise et on recuit l'acier par le procédé décrit à l'exemple 1. A la suite du recuit, on brise le gateau fritté par traitement au broyeur à marteaux. La poudre d'acier recuite présente l'analyse suivante, en pourcentages en poids. 35 Carbone 0,010 Manganèse 0,090 Phosphore 0,010 Soufre 0,019 69 19938 -8- 2011681 Silicium 0,030 Chrome 0,260 Nickel 0,290 Molybdène 0,210 5 Perte d'hydrogène 0,230 Fer complément Après la division au broyeur à marteaux, la poudre d'acier allié a une densité apparente de 2,80, une densité de 6,60 2 à l'état comprimé à une pression de 2140 kg/cm , et une résis- p 10 tance mécanique à l'état vert de 0,80 kg/mm , avec une proportion de 0,75 % de stéarate de zinc faisant office de lubrifiant 2 et après une "compression à 2140 kg/mm . Exemple 5 ; On introduit dans une nourrice de l'acier en fusion ayant 15 la composition suivante, en pourcentages en poids. Carbone 0,100 Manganèse 0,150 Phosphore 0,010 Soufre 0,017 20 Silicium 0,007 Nickel 1j760 Molybdène 0,430 Fer complément l'acier allié est ensuite pulvérisé, recuit et traité au 25 broyeur à marteaux conformément au procédé décrit à l'exemple 1, La poudre d'acier allié recuite et traitée au broyeur à marteaux présente l'analyse suivante, en pourcentages en poids. Carbone 0,012 Manganèse 0,150 30 Phosphore 0,010 Soufre 0,017 Silicium 0,007 .Nickel 1,760 Molybdène 0,430 35 Perte d'hydrogène 0,170 Fer complément La poudre d'acier allié présente une densité apparente de 3,01, une densité à l'état vert de 6,515 à. une pression de compression de 2140 kg/cm^ et une résistance mécanique à l'état vert 40 de 0,82 kg/mm2 après compression à 2140 kg/cm2 et avec 0,75 °/° 69 19938 -9- 2011681 - revendications - 1 - Poudre d'acier allié finement divisée destinée à être utilisée dans les opérations de la métallurgie des poudres, essentiellement composée de 0,40 % de carbone; d'un composant 5 choisi dans le groupe constitué de 0,20 à 3S0 % de nickel, 0,20 à 1,0 % de chrome, 0,20 à 1,0 % de molybdène et leurs mélanges; moins de 0,4 % d'oxygène; moins de 0,30 % de manganèse; moins de 0,10 % de silicium, le complément étant le fer; cette poudre d'acier ayant une densité apparente supérieure à 2,6 et une den- 10 sité àd'état vert supérieure à 6,4, après compression sous une p pression de 2140 kg/cm avec lubrifiant. 2 - Poudre d'acier suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient moins de 0,05 % d'aluminium et moins de 0,05 % ûe titane. 15 3 - Poudre d'acier suivant la revendication 1., caractéri sée en ce que la teneur en carbone est comprise entre 0,06 et 0,12 % en poids. 4 - Procédé de fabrication d'une poudre d'acier allié caractérisé en ce qu'il comprend les phases consistant : à pul- 20 vériser un courant d'acier en fusion ayant la composition suivante, mesurée en pourcentages en poids; jusqu'à 0,40 % de carbone; un composant choisi dans le groupe constitué par 0,20 à 3,0 % de nickel, 0,20 à 1,0 % de chrome, 0,20 à 1,0 % de molybdène et leurs mélanges; moins de 0,30 % de manganèse; moins de 25 0,10 % de silicium; le complément étant le fer, pour former par ce moyen des particules agglomérées; à recuire sous une atmosphère réductrice à une température de 815 à 1150°C pendant un temps suffisant pour ramollir les particules; à ramener la teneur en carbone à moins de 0,05 % en poids et ramener" la teneur en 30 oxygène résiduel à une valeur inférieure à 0,40 % en poids, et à former une structure analogue à un gâteau, puis à briser cette structure pour rendre à la poudre les caractéristiques dimension-nelles des agglomérats résultant directement de la pulvérisatioh. 5 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en 35 ce qu'on pulvérise le courant d'acier en fusion en projetant une lame d'eau sensiblement plane contre le courant d'acier en fusion avec une inclinaison formant un angle compris enr-tre 15 et 55° avec l'axe du courant d'acier en fusion. 69 19938 -10- 20I1681 6 - Procédé suivant la revendication 5» caractériséén ce 2 que l'eau est projetée sous une pression d'au moins 70 kg/cm 7 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les particules pulvérisées ont une dimension telle qu'au 5 moins 85 % de ces particules passent au tamis à mailles de 0,177 mm/ 8 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on recuit les particules à une température comprise entre 870 et 930°C pendant une période supérieure à une heure et demie. 0 9 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les particules contiennent moins de 0,05 % d'aluminium et moins de 0,05 % &e titane» 10 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'acier en fusion a une teneur en carbone comprise entre 5 0,06 et 0,12 % en poids et en ce que l'acier recuit « une teneur en oxygène résiduel inférieure à 0,25 % en poids.