Brevet FR2015893A1 — publié le 19700430

ta présente invention est relative à ur procéAé de préparation d'objets ou articles en forme à partir de fer pulvérulert et, plus particulièrement, au frittage de fer pulvérulent en produits compacts La préparation d'articles ou objets en forme, à partir de fer palvéralent, par le procédé consistant à extruder des produits compacts- billettes en fer pulvérulent comprimé fritté est une technique bien connue , ces procédés étant décrits dans les brevets des Etats Unis d'Amérique N 2 315 502 , 2 542 799 et 2 411 093, par exemple.Ces brevets décrivent des procédés suivant lesquels le frittage de billettes e fer pulvérulent rendu compact est effectué dans la région du fer gamma Su diagramme de phases fer-carbure de-fer , à une température inférieure à 1400 C Par exemple, les températures recommandées dans l'un des brevets sont inférieures à 1316 C et sont comprises entre 1150 et 159000 dans les autres brevets cités .La billette en fer pulvérulent fritté est ensuite extrudée en la forme désirée La préparation d'objets Ae forme simple, à partir de fer pulvérulent , a été effectuée er rendant compacte une masse de fer pulvérulent directement en la forme désirée ,et en frittant ensuite ltarticle compact mis en forme .L'opération de frittage de ce procédé très utilisé était effectuée, jusqu'à présent, à une température située dans la région du fer gamma du diagramme de phases fer-carbure Se fer précité On a également pour pratique, dans la technique, d'accroî- tre la ductilité de la billette ou de l'article en forme fritté en soumettant l'article fritté à une seconde opération de compactage et à une seconde opération de frittage .La seconde opération de compactage est semblable à la première .Lorsqu'on utilise deux opérations de compactage , la première opération de compactage est parfois effectuée à une température quelque peu inférieure à celle Su stage de compactage final, bien qu'on puisse utiliser la mme température Selon la présente invention, on prépare des articles e forme par un procédé selon lequel du fer pulvérulent est mis sous pression sous forme compacte, de manière à obtenir un article ou objet en forme ou une billette qu'on fritte ensuite à une température située dans la régi or du fer delta ou dans la région du fer (delta plus gamma) Su diagramme de phases fer-carbure de fer. Le frittage d'un produit compact en forme à une température si tuée dans la région du fer delta ou dans la région du fer (delta plus gamma), par exemple à 14260C, fournit un article ou- objet fritté en forme ayant un degré de ductilité relativement élevé pour résister à l'application d'une pression mécanique sur celuici.Le frittage d'une billette à une température 4ans: les régions du fer delta citées permet à la billette d'atteindre un degré de ductilité relativement élevé , -lui permettant ainsi d'entre plus facilement extrudée en la forme désirée On décrira particulièrement l'invention ainsi que le procédé permettant de la réaliser en se référant au dessin annexé-, donné uniquement à titre d'exemple , dans lequel la Fig. unique représente un diagramme de phases fer-carbure de fer, ainsi qu'aux exemples de modes de mise en oeuvre préférés de l'invention qu'on trouvera ci-après Le premier stade du procédé selon l'invention,consiste à placer une charge mesurée de fer pulvérulent , auquel est mélangé environ 1% d'un lubrifiant ( par exemple stéarate de zinc ou huile de graine de coton hydrogénée) dans l'ouverture d'une matrice, et à la niveler .I1 n'est pas nécessaire que le fer pulvérulent soit pur, car l'invention est également applicable aux poudres de fer alliées .Le seul effet des additions d'alliage est de modifier la forme de la région du fer delta et de la région du fer (delta plus gamma) .Si l'on se réfère maintenant au diagramme de phases fer-carbure de fer représenté au dessin, le fer pulvérulent doit avoir une concentration en carbone dans la solution solide qui est de 0,18% ,ou moins,3 en carbone afin de pouvoir être fritté dans la région du fer delta ou dans la région du fer (delta plus/ est définie comme l'aire comprise au sein du triangle AHN. La région du fer (delta plus gamma) est définie comme l'aire comprise au sein du triangle NHJ.La plupart des fers pulvérulents du commerce contiennent moins de 0,01% de carbone en solution solide Du carbone sous forme de graphite- peut être ajouté au fer pulvérulent en une quantité supérieure à 0,18 sans affecter la mise en oeuvre de l'invention , car une portion substantielle du graphite est habituellement perdue par oxydation au cours du frittage.Seul le graphite ou le carbone-qui passe en solution est concerné par la teneur.de 0,18$ ,ou moins, en carbone La granulométrie du fer pulvérulent utilisé pour préparer l'article en-forme ou la billette doit Etre quelque peu plus grossière que 100% inférieure à 0,044 mm car une poudre extrême- ment fine ( inférieure à 0,044 mm) a tendance à endommager la matrice et à cloquer au cours de l'opération de frittage .Une qualité ayant une granulométrie de 0,147 mm et contenant envi ron 20% Ae particules ayant une granulométrie de moins de 0,044 mm est excellente .On peut utiliser des qualités plus grossières, bien que, pour des raisons de facilité dans l'opération de com pression permettant d'obtenir le produit compact, il soit avan tageux d'utiliser un mélange de grains ayant tous une granulomé trie relativement fine, c'est-à-dire non supérieure à environ 0,246 mm .On donnera ci-après des descriptions particulières dé taillées de trois échantillons de fer pulvérulent Au cours du compactage du fer pulvéruieht, une pression comprise entre 28 et 84,4 kg/mm2 est appliquée à la matrice par un poinçon, comme il est de pratique courante, afin de comprimer le fer pulvérulent en un article en forme ou une billette . Une pression comprise entre 70 et 77 kg/mm2-est préférable . La ma trice peut avoir la forme de l'article désiré ou peut former une billette utilisable dans un appareil d'extrusion . L'article en forme ou la billette compacts sont retirés-de la matrice et frittés flans une atmosphère non oxydante ou réduc trice, par exemple d'ammoniac dissocié ou d'hydrogène , en uti lisant une lente élévation initiale de température afin de chas ser le lubrifiant sans cloquage , craquelage ou gonflement de la partie compacte .l Une élévation d'environ 110 C toutes les cinq minutes, jusqu'à obtention d'une température environ 871C est satisfaisante Puis on peut élever la température aussi ra pidement qu'on le désire ,Jusqu a une valeur de 1400 à 15390C, la région du fer delta du diagramme de phases fer-carbure de fer pour les poudres de fer contenant 0,1X, en poids, ou moins, de earbone, ou de 1400 à 14920C, la région du fer (delta plus gamma) du diagramme de phases fer-carbure de fer pour les poudres de fer contenant 0,18 , ou moins, de carbone . L'article en forme ou la billette sont maintenus à cette température élevée pendant environ 15 minutes saune heure, afin d'achever le frittage La température de frittage dans la région du fer delta et dans la région du fer (delta plus gamma) du diagramme de phases fer carbure de fer varie avec la concentration du carbone présent dans le fer, comme le montre le dessin .11 est préférable d'effectuer le frittage dans la région du fer delta du diagramme de phases fer-carbure de fer car on pense que la haute ductilité de l'arti cle ou de-la billette en fer pulvérulent fritté est due à la présence de la structure cubique à corps centré et c'est la seule structure-présente dans la région du fer-delta .Dans la région du fer(flelta plus gamma) le degré de ductilité varie directement proportionnellement à la quantité de structure cubique à corps centré présente qui, pour sa part, varie en raison inverse de la distance d'avec la région delta . Par exemple, une billette en fer pulvérulent contenant 0,1%, en poids, de carbone, a une ductilité plus élevée si elle est frittée à une température de 1490QC que si elle est frittée à une température de 14600C. De même, une billette en fer pulvérulent-ayant une teneur en carbone de 0,09 et frittée à 14750C a une ductilité supérieure à celle d'une billette en fer pulvé- rulent frittée à la même température et contenant 0,11% de carbone La structure cubique à corps centré qu'on trouve dans la région du fer delta et dans la région du fer ( delta plus gammaj est plus ouverte, c'est-à-dire moins dense que la structure cubique à face-centrée qu'on-trouve dans la région-gamma, permettant ainsi des résultats de diffusion très rapides .En outre l'oxygène est soluble dans la structure cubique à corps centré, dissolvant ainsi l'oxygène de la surface des grains de fer, et laissant ainsi une surface de fer réactive propre qui se fritte rapidement . On pense que la théorie proposée ci-dessus est le mécanisme par lequel les résultats favorables obtenus avec l'invention sont réalisés, mais l'invention n'est pas limitée par cette théorie L'article en forme ou la billette frittés obtenus comme dé- crit ci-dessus sont ensuite refroidis, de préférence également dans une atmosphère non oxydante . L'article fritté en forme résultant a une ductilité relativement forte, permettant ainsi de l'utiliser comme pièce métallique ayant une ductilité suffisante pour résister à l'application d'une pression mécanique sur celleci.L'article fritté en forme peut être utilisé tel quel, pour des applications particulières, fu peut éventuellement être soumis à des opérations supplémentaires d'usinage, ou autres, pour obtenir un article final en fer Les billettes en fer pulvérulent fritté préparées suivant l'invention en vue d'une opération d'extrusion sont traitées de la manière classique Par exemple, on peut leur faire subir un traitement au phosphate , ou un traitement similaire suivi par l'application d'un savon métallique et d'un lubrifiant tel que le bisulfure de-molybdène .La billette est ensuite placée. dans une filière d'extrusion et est extrudée .L'article ertrudé, en fer, est retiré de la presse d'extrusion, est débarrassé du lubrifiant par nettoyage et est soumis à des opérations classiques d'usinage ou similaires pour obtenir ltarticle en fer final. Ce procédé est particulièrement applieable aux billettes compactes en fer pulvérulsnt qui sont extrudées sous forme d'enveloppes de bougies d'allumage . Ces enveloppes de bougies présentent une forme hexagonale à l'une de leurs extrémités et une portion filetée à leur autre extrémité. On a- remarqué que les billettes en-fer pulvérulent-qui sont frittées dans la région de température du fer delta ou du fer (delta plus gamma) ont une ductilité , telle que mesurée par l'allongement , qui est de 50 à 100%, ou plus, supérieure à celle obtenue en frittant la même billette dans la région de température gamma . Des exemples particuliers de l'accroissement de l'allongement seront décrits de façon détaillée dans les exemples cidessous Exemple 1 On mélange un fer pulvérulent du commerce, contenant 98% en poids, de fer,-0,06 de carbone, 0,02% de soufre, 0,02% de phosphore, 0,35% de manganèse, 0,25% de silicium et 0,8% de perte d'hydrogène avec 1 ,en poids, de stéarate de zinc .Le-fer pulvérulent présente la répartition de dimensiom particulaires suivante: plus de 0,246 mm , néant ; de 0,246 mm à 0,147 mm 10 ; de 0,147 mm à 0,074 mm 47% ; de 0,074 mm à 0,044 mm 25% et moins de 0,044 mm 18% . Le fer pulvérulent contenant le stéarate de zinc est placé dans l'orifice d'une matrice cylindrique et est nivelé . Une pression d'environ 77 kg/mm2 est appliquée sur le fer pulvérulent, afin de comprimer fortement celui-ci en une billette .Puis on retire cette billette de la matrice . La billette a une masse volumique d'environ 7,00 g par cm5. La billette est frittée dans une atmosphère d'ammoniac dissocié à une température de 14260C ( flans la région du fer delta) pendant environ une heure .La billette frittée est refroidie dans l'atmosphère d'ammoniac dissocié . La billette frittée à une masse volumique de 7,79 g par cm3. L'allongement de la billette frittée est de 50% tel que mesuré par l'essai normalisé de trac tion M.P.A; (Metal Powder Association ) Standard N0 10-50 La valeur de l'allongement est significativement supérieure valeurs obtenues avec le même fer pulvérulent rendu compact dans les mimes conditions mais chauffé à une température de frittage inférieure, c'est-à-dire à une température de frit- tage dans la région gamma .Par exemple l'allongement de la billette obtenue en frittant cette même billette en fer pulvérulent à 1121 C est de 8% ; il est de 15% à 12040C et de 15% à 1315 C Les résultats obtenus aux Exemples 1 à 6 sont rapportés au Tableau suivant POURCENTAGE D'ALLONGEMENT Delta Gamma Exem- Fer pulvé- Graphite Carbone Carbone, ple rulent Poids % 1468 C 1426 C Poids % 1371 C 1315 C 1204 C 1121 C poids % 1 A --- 30 0,06 15 15 8 0,06 2 Ba --- 37 0,01 24 16 19 0,01 3 Cb --- 40 0,01 27,4 25 19 0,01 4 D 0,2 32,8 0,03 15,3 0,020 5 D 0,4 31,5 0,015 14,7 0,020 6 D 0,6 27,3 0,03 13,3 0,105 a.Fe 99,5% plus de 0,175 mm 0% b.Fe 99,5% C 0,01% 0,175 mm à 0,147 mm 2% C 0,01% Mn 0,20 0,147 mm à 0,104 mm 14% Insolubles dans l'acide 0,06% P 0,005 0,104 mm à 0,074 mm 22% plus de 0,380 mm 0% S 0,010 0,074 mm à 0,063 mm 10% 0,380 à 0,175mm 7% 0,175 à 0,147 mm 8% Si 0,02 0,063 mm à 0,044 mm 22% 0,147 à 0,104mm 14% perte de H 0,12 moins de 0,044 mm 30% 0,104 à 0,074 mm 15% 0,074 à 0,063 mm 4% 0,063 à 0,044 mm 14% moins de 0,044mm 38% Toutes les billettes frittées, en fer pulvérulent à basse c neur-en carbone des-Exemples 1 à 3. qui sont frittées une te: pérature située dans la région du fer delta du diagramme de phase fer-carbure de fer, c'est-à-dire à 1426 C, présentent un allons ment dont la valeur est bien plus élevée que celle obtenue en frittant une billette sensiblement identique à une température dans la région gamma, par exemple à une température de 1121 à 13710C .Aux Exemples 4, 5 et 6 , du graphite est ajout et soigneusement mélangé au fer pulvérulent avant de le rendre compas Au cours de l'opération de frittage, une partie-du graphite est immédiatement oxydée en oxyde de carbone et est pérdue tandis qu'une partie du graphite passé dans la solution solide de fer. Au cours de l'opération de frittage, le graphite-qui passe-en solution solide est oxydé en oxyde de carbone qui se sépare du fer pulvérulent .A la fin de l'opération de frittage, à peu près tout le graphite 'qui-est- passé dans la solution solide de fer a été oxydé et est perdu. Dans les Exemples 5 et 6, on pense qu'une quantité suffisante de graphite s'est d'issoute dans le mélange du fer pour qu'une partie du frittage ait été effectuée dans la région du fer (delta plus gamma) .Tous les produits des Exemples 4,5 et 6 sont chauffés dans la région du fer delta et tous ces Exemples ont un allongemént ayant une valeur significativement supérieure à celle de la même billette chauffée dans la région gamma à 13710C . Ces valeurs d'allongement élevées indiquent q les billettes frittées dans la région du fer delta et dans la région du fer (delta plus gamma) peuvent être extruflées en des formes plus complexes sans craquelage que les billettes obtenues par frittage dans la région du fer gamma Le procédé selon l'invention fournit un moyen simple pour obtenir une pièce frittée en forme, en fer pulvérulent, ayant un degré élevé de ductilité .Ces-pièces de fer en forme peuvent être utilisées comme composants de moteurs, par exemple de tige de raccordement ,de composants de suspensions tels que des rotules , de pièces de transmission telles qu'engrenages ,etc.. Ce procédé fournit un moyen simple permettant d'obtenir une bil lette frittée ayant un degré élevé de ductilité,qui peut être ex trudée sous forme d'une pièce en fer ayant la forme désirée Il élimine la nécessité d'avoir à rendre. compact deux fois et à fritter deux fois pour obtenir un degré de ductilité relativement élevé R E V E N D I C A T-I 0 N S l-Un procédé de préparation d'un objet ou article en fer consistant à rendre compact une masse de fer pulvérulent de manière à obtenir un article se tenant de-lui-meme et à chauffer cet article dans une atmosphère non oxydante, caractérisé en ce qu'on chauffe l'article jusqu a une température située dans la région flu diagramme de phases fer-carbure de fer constituée essentiellement par la région du fer delta et la région du fer (delta plus gamma), le chauffage étant poursuivi pendant un temps suffisant pour obtenir un corps fritté 2-Un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite température est comprise entre 1400 et 1539 C. 3-Un procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fer pulvérulent contient 0,18 ,ou moins , en poids, de carbone à la fin du chauffage 4-Un procédé suivant l'une quelconque des revendications I à 3 ,caractérisé en ce que le chauffage est effectué pendant 15 à 60 minutes à ladite température 5-Un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on extrude ladite billette de manière former l'article en fer 6-Les objets ou articles en fer obtenus par un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5.