Brevet FR2292545A1 — publié le 19760625

La présente invention est relative à un nouveau type de poudres métalliques convenant à la métallurgie des poudres, et à un procédé de fabrication de telles poudres métalliques. I1 est déjà connu de fabriquer une poudre métallique pour la métallurgie de poudres en distribuant finement ou en "atomisant" un métal fondu , les petites gouttes produite étant amenées à se solidifier pour former des petits granules, dont chacun constitue un lingot de métal fondu. Ces petits granules peuvent ensuite être introduits par exemple dans un récipient dans lequel on fait le vide et qu'on scelle, après quoi un compactage par chauffage est exécuté de manière à réunir les petits granules en un métal solide compact ayant la composition du métal fondu.Ce procédé s'est avéré extrêmement intéressant pour la production de matériaux homogènes à partir d'alliages fondus susceptibles de liquation, par exemple les aciers fortement allies, tels que les aciers à coupe rapide, et d'autres matériaux fortement alliés tels que la stellite, L'atomisation souhaitée du métal fondu en petites gouttes est généralement provoquée par un gaz inerte tel que l'argon ou l'azote, qui heurte sous forme de jets à vitesse élevée une coulée de métal, mais l'eau et la vapeur ont aussi été utilisées.Cependant, l'eau et la vapeur ne sont pas appropriées pour un acier à coupe rapide par exemple, car elles provoquent une oxydation importante des granules. I1 est également connu d'atomiser la coulée de métal à l'aide d'un disque rotatif et de faire solidifier les petites gouttes ou les lingots formés par contact avec l'atmosphère environnante ou en les faisant tomber dans l'eau de refroidissement d'un bain ,' d'huile, après qu'éventuellement ils aient été soumis d'abord' à une vaporisation de réfrigérant. .ar exemple, le brevet britannique n 519.624 est re latif à des produits métalliques en poudre ou en grains constitués par des particules métalliques solidifiées dérivees d'un métal fondu ; ce brevet décrit également un procédé de production de ces produits. Les particules métalliques solidifiées cristallisent spontanément à partir d'un état surfondu métastable à une température prédéterminée inférieure au point de solidification du métal mais proche de ce dernier, iesdites particules ayant des dimensions sensiblatent uniformes et une composition mutuelleent uniforme. Pour produire les particules, on décharge un métal fondu contenu dans un récipient approprié en une ou plusieurs soulées sur une surface métallique de nature telle qu'une quantité de chaleur suffisante soit prélevée au métal fondu pour abaisser sa température jusqu'au domaine dit plastique, c'està-dire à un point qui est légèrement inférieur au point de solidification du métal en particulier, mais sans provoquer de solidification ou de cristallisation. Cette surface sur laquelle tombe le métal fondu est animée d'un mouvement rapide soit linéaire comme dans le cas d'une courroie, soit rotatif comme dans le cas d'un disque.Dans les deux cas, le métal fondu est immédiatement transformé en un écoulement ayant des dimensions semblables à celles d'une pellicule sur la surface et l'étendue de la surface de la courroie ou du disque est telle que le métal fondu est en contact avec cette dernière pendant une période juste suffisante pour passer à l'état surfondu comme défini ci-dessuso Le métal fondu quitte ensuite la surface qui le supporte et continue son trajet dans la même direction et sensiblement à la même vitesse sur une distance suffisante pour provoquer la solidification, mais, étant donné que l'écoulement surfondu de dimensions semblables à celles d'une pellicule a une résistance propre faible ou nulle, il se brise immédiatement en une multitude de fines particules de liquide qui, lorsqu'elles se solidifient comme mentionné ci-dessus, aboutissent à la formation d'un métal en poudre. Ces opérations peuvent être exécutées sous vide ou dans une atmosphère appropriée et on peut faire passer la multitude de fines petites particules de liquide à travers un réfrigérant de manière à accélérer la solidification des particules ou à réduire la distance sur laquelle elles doivent être projetées pour se solidifier. Etant donné que la solidification a lieu après que le métal fondu ait quitté la surface de la courroie ou du disque, la tension superficielle amène les particules à prendre une forme sensiblement sphérique et mème s la vitesse de refroidissement peut être relativement élevée elle n'est pas assez élevée pour empocher une formation consi dérable de dendrites, comme expliqué ci-dessous. Dans un procédé intéressant de production d'une poudre d'acier à coupe rapide (voir par exemple Teknisk Tidskrift, 1974:16 p. 18-23), une coulée de métal est atomisée au sommet d'une tour haute à l'aide de jets d'argon et on laisse retomber les petites gouttes formées dans la tour remplie d'argon. Tout en tombant, les gouttes se solidifient en granules essentiellement sphériques ayant des dimensions allant jusqu'à environ 700 Zm. La tour doit être suffisamment élevée, environ 10 mètres pour que les petites sphères aient le temps de se solidifier en tombant et ne sagglombrent pas en une poudre lorsqu'elles atteignent le bas de la tour.De manière à éliminer le risque d'agglomération, il a été proposé que les sphères solidifiées soient recueillies dans un récipient contenant un gaz liquéfié, placé au bas de la tour. Les granules produits par les procédés usuels susmentionnéa se solidifient beaucoup plus rapidement que les gros lingots habituels et cela permet d'atteindre des vitesses de refroidissement allant jusqu'à environ 103 0C/s. Cependant, les granules produits ne peuvent pas remplir les exigences de qualité élevée qu'on leur impose. D'une part, ils contiennent des dendrites, bien que de dimensions inférieures à celles obtenues au cours de la solidification de gros lingots, et d'autre part, ils-contiennent le gaz inerte utilisé pendant l'ato- misation et/ou le refroidissement qui est dissous et/ou em- prisonné dans le métal fondu.En outre, dans certains procédés de productiong la surface des granules est altérée chimiquement, par exemple par oxydation ou décarburation. Tesdendrites sont des cristaux à croissance rapide comportant de nombreuses ramifications et une structure semblable à celle d'un arbre, qui se forment durant la solidification d'un lingot. Un métal fondu ayant une composition différente de celle des dendrites est enfermé entre les ramifications, ce qui conduit à des inhomogénéités dans le lingot. La présente invention a pour objet une poudre métallique convenant à la métallurgie des poudres, qui satisfait parfaitement aux exigences de qualité imposées par la métallurgie des poudres, meme si elles sont extraordinairement élevées. Conformément à la présente invention, la nouvelle poudre métallique est constituée d'une matière amorphe à gra nultire compacte1.-en.prinoipe toapltument exempte de dendrites, se trouvant sous forme de particules ayant des angles irréguliers. En outre, conformément â l'invention, une telle poudre métallique peut titre fabriquée en utilisant d'une part un métal ou un alliage fondu ayant une composition telle qu'un refroidissement rapide de pellicules minces du produit fondu donne des pellicules relativement fragiles et pouvant 8tre broyées, et d'autre part, une surface métallique refroidie qui est relativement froide et a une grande capacité de refroidissement, en provoquant une solidification extrgmement rapide de la pellicule mince sur la surface métallique relativement froide de grande capacité de refroidissement pour former une pellicule de métal relativement mince , fragile et s'écrasant facilement, amorphe à granulaire compacte, en principe complètement exempte de dendrites, et en écrasant ou en broyant la pellicule métallique formée en une poudre constituée de particules ayant des angles irréguliers. Selon le degré d'écrasement ou de broyage,les particules obtenues peuvent titre généralement caractérisées comme étant des paillettes minuscules ayant une épaisseur qui est inférieure.d'au moins un ordre de grandeur à leur longueur.les poudres comprimées formées de particules sphériques ont une conductivité thermique très faible, parce que les grains sphériques individuels de la poudre ont uniquement des contacts ponctuels entre eux, ce qui nécessite de longues durées de chauffage pour atteindre les températures de frittage ou de compactage ther mique-. Par contre, dans la poudre métallique conforme à la présente invention,les paillettes individuelles minuscules sont en contact entre elles par leur surface, ce qui améliore considérablement la conductivité thermique de la poudre comprimée et diminue les temps de chauffage. En amenant le métal fondu à former une couche ou une pellicule mince sur la surface froide de grande capacité de refroidissement,on peut obtenir une solidification considérablement plus rapide que par les procédés usuels mentionnés ci-dessus de production d'une poudre métallique sphérique à partir d'un métal fondu. Grâce à une solidification extrêmement rapide, on obtient une structure en principe complètement exempte de dendrites,. formée de grains très fins à amorphe, et des quantités seulement négligeables de gaz protecteur ont le temps de se dissoudre dans le métal fondu . I1 est également possible d'exécuter la solidification tellement rapidement qu'on obtient des pellicules complètement exemptes de dendrites et en opérant sous vide, le risque d'absorption de gaz protecteur dans le métal fondu peut être complètement éliminé. Lorsqu'on utilise le procédé conforme à l'invention, la vitesse de refroidissement doit titre d'au moins environ 1040C/s X de préférence d'au moins environ l050C/s , et avantageusement d'au moins environ 10600/B , du moins dans l'intervalle de températures de solidification. La ou les couches sont de préférence formées en faisant tomber le métal fondu sur au moins une surface métallique dure et relativement froide ayant une grande capacité de refroidissement, se déplaçant rapidement et sensiblement trans versalement à la direction d'écoulement du métal fondu. De cette manière, on obtient des pellicules plus minces qu'avec n'importe lequel des autres procédés connus , et les pellicules plus minces donnent une poudre métallique plus fine et se solidifient même plus rapidement . Les pellicules métalliques formées de cette manière sont formées de paillettes. Pour que les pellicules ou les paillettes métalliques puissent entre facilement broyées en poudre ayant la granulome métrie requise, les paramètres qui déterminent pendant la fa brication-les dimensions des pellicules ou des paillettes doivent entre mutuellement ajustés de sorte que l'épaisseur des pellicules ou des paillettes soit au maximum d'environ 0,5 mm, de préférence au maximum d'environ 0,1 mm. Avantageusement, les paramètres sont également mutuellement ajustés de manière que le rapport de la longueur à 1' épaisseur des feuilles ou des paillettes soit d'au moins 100, le rapport de leur largeur à leur épaisseur soit d'au moins environ 20 , et le rapport de leur longueur à leur largeur soit au maximum d'environ 5. L'invention est décrite plus en détail ci-dessous avec référence au dessin annexé, sur lequel la figure 1 est une vue en coupe transversale verticale d'un mode de réalisation schématiqued'un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et les figures 2 et 3 sont respectiveaent une vue en plan et une vue latérale d'une paillette d. métal obtenue par le procédé de 1 invention. Le dispositif !Xprsent sur la figure 1 pour la fabrication de paillettes métalliques comprend un récipient 1 qui, dans le @ode de réalisation représenté, est cylindrique et comporte une chemise 2 et un fond 3. La chemise 2 et le fond 3 sont tous deux refroidis par eau, bien qu'aucun détail ne soit représenté sur la manière dont est effectué le refroidissement par eau lui-mSme. Le récipient 1 comporte aussi un couvercle 11 avec un orifice d'admission 6, auquel est relié un certain type d'entonnoir de coulée 12. L'entonnoir de coulée 12 contient un métal fondu 7 ayant une composition telle qu'un refroidissement rapide de couches minces de métal fondu produise des pellicules relativement fragiles et pouvant s'écra- ser.Un conduit 10 relié au couvercle 11 permet au récipient 1 d'être placé sous vide à l'aide d'une pompe à vide qui n'est pas représentée, et/ou d'etre alimenté avec un gaz protecteur provenant d'une source appropriée non représentée On fait tomber le métal fondu 7 provenant de l'entonnoir de coulée 12 sur au moins une surface métallique 14 dure et relativement froide ayant une grande capacité de refroidissement, animée d'un mouvement rapide sensiblement transversalement à la direction d'écoulement du métal fondu, pour former au moins une couche de métal fondu discrète relativement mince, sous forme de paillettes, sur la surface métallique 14.Dans le mode de réalisation du dispositif représenté, la surface métallique 14 est la face supérieure d'un disque 4 refroidi inté rieurement, qui est disposé sous l'orifice d'admission 6 et peut tourner dans le récipient. Le disque est monté sur un arbre moteur 15 s'étendant hors du récipient 1. Le disque 4 et l'arbre moteur 15 comportent des conduits intérieurs 5 pour le passage de l'eau de refroidissement et forment ensemble une unité de refroidissement du type "doigt froid" comportant une partie externe 16 et une partie interne 17, la partie externe 16 au moins étant animée d'un mouvement de rotation par un moteur qui n'est pas représenté. Le disque 4 qui dans le mode de réalisation représenté est plat, circulaire et disposé dans un plan horizontal a son axe de rotation 18 déplacé latéralement par rapport à la coule de métal 8, s'écoulant goutte à goutte de-lZentonnoir de coulée 12, de sorte que la coulée 8 tombe sur le disque rotatif refroidi di 4 de façon excentrée.De cette manière, une multitude de couches de métal fondu espacées entre elles, relativement minces et sous forme de paillettes, se forment sur la surface métallique refroidie 14 et grce à la grande capacité de refroidismement de la surface métallique refroidie 14 se solidifient extrê- mement rapidement sur cette dernière pour former des paillettes de métal relativement minces, fragiles et s'écrasant facilement, en principe complètement exemptes de dendrites, de structure amorphe à granulaire compacte.Les paillettes métalliques sont projetées contre la paroi de la chemise 2 refroidie par eau puis évacuées à l'aide de dispositifs appropriés non repré- sentés par des trous de sortie 9 ménagés dans le fond 3 du ré- cipient.Puisque les paillettes fragiles ne sont pas destinées à Titre utilisées telles quelles mais constituent un produit intermédiaire, il est sans importance que le dispositif de décharge provoque un certain écrasement des paillettes. Grâce à la capacité de refroidissement importante de la surface métallique refroidie 14, la solidification a lieu extrSmement rapidement. Dans l'intervalle de temps débutant lorsqu'une goutte de métal fondu atteint la surface métallique refroidie 14.-et se terminant lorsque la goutte, transformée en une paillette mince et solidifiée, quitte la surface métallique refroidie ou a au moins été refroidie par la surface métal lique 14 à une température inférieure au point d'agglomération, la vitesse de refroidissement est extrêmement élevée, ctest-à- dire est d'au moins environ 104 C/s , de préférence d'au moins environ 105 C/s , et avantageusement d'an moins environ 106 C/s. Les dimensions des paillettes produites dépendent de nombreux paramètres, dont les plus importants sont la tempéra turne, du métal fondu 7, la vitesse de coulée, la hauteur de coulée et la vitesse de la surface métallique refroidie 14 au point d'impact de la coulée de métal 8. Ces paramètres sont ajustés mutuellement de sorte que l'épaisseur des paillettes métalliques soit au maximum d'environ 0,5 mm, de préférence au maximum d'environ 0,1 mm.Dans le dispositif représenté, une faible vi tesse-de rotation du disque 4 produit despaillettes relativement épaisses et une vitesse de rotation plus élevée des paillettes plus minées. @eci peut être expliqué par le fait que , lorsque le mêtal @ondu frappe la surface métallique refroidie 14, il se solidifie d'abord à l'interface avec la surface métallique refroidie 14 et est am@né par c@tte dernière par friction On rotation autour de î'e 18, tandis que le métal fondu se trouvant à la surface est projeté vers l'extérieur plus facilement en raison de l'inertie.Les paillettes solidifiées n1 adhèrent pas à la surface refroidie 14, mais la matière est projetée entièrement vers l'extérieur. I1 est également avantageux que les paramètres sus- mentionnés soient ajustés mutuellement de sorte que, comme re présenté sur les figures 2 et 3, le rapport de la longueur nl" à l'épaisseur "t" des paillettes métalliques 20 soit d'au moins 100, le rapport de la largeur b" à l'épaisseur t" des paillettes soit d'au moins environ 20 et le rapport de la longueur "1" à la largeur "b" des paillettes soit au maximum d'environ 5.Ces paillettes sont faciles à fabriquer, à stocker et à transporter et à écraser ou à broyer en poudre.Les paillettes métalliques 20 représentées sur les figures 2 et 3 sont principalement ovales ou elliptiques et présentent une légère torsion à la manière d'une hélice autour de leur axe longitudinal. L'une des extrémités de la paillette a un bord relativement régulier, tandis que le bord à l'autre extrémité est relativement irrégulier, cela résultant du procédé de solidification décrit ci-dessus. La figure 2 montre également que la sur face de 18 paillette métallique 20 est relativement inégale. Au cours d'une expérience réalisée avec le dispositif représenté sur la figure 1, le métal fondu 7 est constitué d'acier à coupe rapide à une température de 16000C, la coulée de métal a un diamètre d'environ 10 mm et la hauteur de coulée est de 500 mm. Le disque refroidi 4 a un diamètre de 250 mm et tourne à 30 s l , et la coulée de métal 8 tombe sur le disque circulaire 4 à environ 70 mm de la périphérie de ce dernier. Ceci produit des paillettes principalement elliptiques semblables à celles des figures 2 et 3 et qui ont une longueur "1" d'environ 70 mm, une largeur "b" d'environ 12 mm et une épaisseur "t" d'environ 0,1 mm.Les paillettes se solidifient extrêmement rapidement, la vitesse de refroidissement est d'environ 106 C/s et les paillettes sont complètement exemptes de dendrites et ont une structure amorphe, elles sont aussi très fragiles et très faciles à broyer. On broie la moitié des paillettes, dans un broyeur a boulets en une poudre métallique constituée de particules à angles irréguliers (la majorité des particules peuvent Outre considérées comme des micro-paillettes). On introduit la poudre métallique dans un récipient cylindrique puis on procède au compactage par vibrations. On introduit l'autre moitié des paillettes directement dans un récipient identique et on di;- pose au sommet des paillettes un poids ayant la forme d'ur disque cylindrique, après quoi on procède au compactage par vibrations. Les paillettes sont ainsi écrasées les unes sur les autres et la matière écrasée est compactée jusqu'à atteindre une densité apparente prédéterminée.On fait le vide dans les deux récipients, on les scelle, puis on les chauffe à la température de compactage vol'lue (environ 11500C) et on les transfère dans une chambre haute pression dans laquelle on procède à un compactage par soufflage isostatiquement par l'action directe sur les récipients de gaz obtenus à partir d'un explosif faible introduit dans la chambre haute pression. Après refroidissement, on peut établir que les deux pièces d'acier à coupe rapide produites ont des structures complètement exemptes de pores, uni formes et à grains extrêmement fins. Un très gros avantage du procédé selon la présente invention est la possibilité d'opérer sous vide, ce qui permet d'obtenir des teneurs en oxygène très faibles. Dans l'exemple décrit ci-dessus avec un acier à coupe rapide, la teneur en oxygène est seulement de 16 ppm. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais peut être modifiée de différentes manières sans sortir du cadre des revendications ci-dessous. Le disque peut, par exemple, titre sous forme de cuve au lieu d'être plat et il peut faire un angle avec le plan horizontal. En outre, on peut utiliser des corps de refroidissement métalliques autres que des disques rotatifs à condition qu'ils aient une température suffisamment basse et une capacité de refroidissement importante et outils soient animés d'un mouvement suffisamment rapide, sensiblement transversalement à la direction d'écoulement du métal fondu pour produire des paillettes métalliques se solidifiant extrtmement rapidement. Lorsqu'on opère sous vide, une certaine fragmenta tion de la coulée de métal a lieu avant même que cette coulée tombe sur le disque rotatif refroidi et cette fragmentation est due au dégagsment du gaz diesous dans le métal fondu R E V E N D I C A T I O N S 1, poudre métallique convenant à la métallurgie des poudres, caractérisée par le fait qu'ellewest constituée d'une matière amorphe à granulaire compacte, en principe complètement exempte de dendrites, dont les particules ont des angles irréguliers. 2. Poudre métallique selon la revendication 1, ca ractérisée par le fait que la matière est complètement exempte de dendrites. 3. Poudre métallique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la matière est de l'acier pou vant entre trempé. 4. Article fabriqué à partir d'une poudre selon le principe de la métallurgie des poudres, caractérisé par le fait qu'au moins une partie substantielle de la poudre est constituée par la poudre métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5. Procédé de production de la poudre métallique selon la revendication 1 convenant à la métallurgie des poudres, dans lequel un métal fondu est amené à former, sous vide ou en atmosphère de gaz protecteurS au moins une couche- dis crète relativement mince sur une surface métallique refrcidie, procédé caractérisé par le fait qu'en utilisant d'une part un métal ou un alliage fondu ayant une composition telle qu'un refroidissement rapide de pellicules minces du produit fondu donne des pellicules relativement fragiles et pouvant être écrasées, et d'autre part, une surface métallique refroidie qui. est relativement froide et a une grande capacité de refroidissement, on provoque une solidification extrémement rapide de la pellicule mince sur la surface métallique relativement froide de grande capacité de refroidissement pour former une pellicule métallique relativement mince, fragile et s'écraant facilement, amorphe à granulaire compacte, en principe complètement exempte de dendrites et on écrase ou on broie a pellicule métallique formée en une poudre dont les particules ont des angles irréguliers. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'on forme la ou les couches en faisant tomber le métal fondu sur une surface métallique relativement froide ayant une grande capacité de refroidissement, se déplaçant rapidement et sensiblement transversalement à la direction d'é- coulement du métal fondu. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'on exécute la solidification tellement rapidement qu'on obtient des pellicules complètement exemptes de dendrites. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que la vitesse de refroidissement est d'au moins environ 10 C/s , de préférence d'au moins environ 106 C/s , du moins dans l'intervalle de températures de solidification. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait qu'on ajuste mutuellement les paramètres qui déterminent l'épaisseur de la pellicule de manitre à obtenir une épaisseur de pellicule atteignant au maximum environ'O,5 mm. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'on ajuste mutuellement les paramètres de manière à obtenir une épaisseur de pellicule d'environ 0,1 mm. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait qu'on ajuste mutuellement les paramètres de manière à obtenir des pellicules formées de paillettes qui ont un rapport 'longueur/épaisseur d'au moins 100, un rapport largeur/épaisseur d'au moins environ 20 et un rapport longueur/ largeur atteignant au maximum environ 5. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé par le fait que le métal fondu est de l'acier fondu.