Brevet FR2309295A1 — publié le 19761126

La présente invention se rapporte à la fabrication d'articles au moyen de poudre métallique, plus particulièrement de la poudre d'acier à outils, de la poudre d'acier allié et de la poudre d'acier inoxydable. Par "poudre métallique", on doit comprendre dans la description suivante du métal com nun et des alliages de métaux sous forme de poudre ou de particules. De manière optionnelle la poudre peut être mélangée avec de faibles additions de poudres d'oxydes métalliques ou d'autres poudres non métalliques. Plus particulièrement, une telle poudre, lorsqu'elle a été fabriquée par pulvérisation avec trempe à l'eau, a besoin d'être désoxydée avant d'être frittée. De manière classique, cette poudre est désoxydée sous forme libre en la chauffant, par exemple, dans un four à tambour sous atmosphère inerte. Cette poudre est ensuite refroidie et comprimée, et le comprimé obtenu est alors fritté en le chauffant à une température inférieure à celle à laquelle n'importe quelle composition de poudre est amenée à la phase liquide. De manière significative, la désoxydation se produit à des températures dépassant 6000C, mais elle peut se produire plus rapidement, à des températures dépassant 1000 C, l'efficacité des réactions de désoxydation augmentant en fonction de l'augmentation de la température. Cependant, la désoxydation de la plupart des poudres métalliques a été limitée à une température inférieure à 10000C du fait que la poudre peut s'agglomérer fortement à une plus haute température. La présente invention fournit un procédé de fabrication d'un article métallique à partir de poudre-metallique, ce procédé étant remarquable du fait qu'il consiste a) à comprimer à une pression d'au moins 4218 kgp/cm2 (60.000 psi) une poudre métallique à prédominance d'acier à outil, d'acier allié ou d'acier inoxydable, pour constituer un comprimé de densité relativement élevée et compressé au taux de 70 à 92 % de la pleine densité; b) à désoxyder le comprimé produit, et c) à fritter sous vide et/ou sous atmosphère contrôlée le comprimé désoxydé en le densifiant à au moins 98 % de la "densité relative" par frittage à une température supérieure à la température de salidus de l'acier ou par introduction dans les vides d'un métal secondaire ou d'un alliage métallique. Par "densité relative" on entend le rapport de la densité actuelle du comprimé à la densité de la matière solide à partir de laquelle ce dernier est fabriqué, cette densité relative étant exprimée en pourcentage. La désoxydation est réalisée au moyen d'une réduction de la teneur en oxygène aussi bien que par une suppression complète de celui-ci. Normalement, la désoxydation doit être faite en réduisant à 1000 p.p.m au plus la teneur en oxygène et, de préférence, cette teneur doit être alors comprise dans la gamme de 400 à 200 p.p.m ou en dessous de celle-ci. De manière typique une réduction de 1800 à 200 p.p.m peut être nécessitée. La poudre sous forme de comprimé peut être désoxydée à une température très élevée, de préférence une température comprise entre 1000 et 12000C, et les opérations de désoxydation et de frittage peuvent être combinées dans un simple cycle de chauffage. En outre, on peut obtenir un article de haute densité, ayant une bonne liaison métallurgique, en remplissant sensiblement tous les vides existant dans cet article pendant l'opération de frittage. Par ailleurs, la poudre métallique est de préférence fabriquée en pulvérisant un courant descendant d'acier en fusion au moyen de jets de gaz, de vapeur ou d'eau dirigés sur ce courant, et ainsi, l'eau provoque la trempe des gouttelettes d'acier chaud produites, sibien que l'on obtient, de cette manière, des particules d'acier de formes irrégulières. La poudre fabriquée au moyen d'une telle pulvérisation de gaz, de vapeur ou d'eau, accompagnée d'une trempe à l'eau, a l'avantage de présenter une bonne tenue au compactage qui facilite la production d'un comprimé de densité relativement élevée. L'eau de trempe est, de préférence, traitée en introduisant en elle un inhibiteur de rouille, tel que, par exemple, une amine de base constituant un inhibiteur de corrosion soluble dans l'eau, afin de réduire la formation d'oxydes métalliques et pour soutenir le traitement de recuit en réduisant l'agglomération. Le comprimé peut être fabriqué de n'importe quelle manière connue, celle-ci étant choisie suivant l'article que l'on désire obtenir. Ainsi, lorsqu'une forme complexe telle qu'un outil, doit être réalisée, la poudre peut être tout d'abord versée dans un moule de matière déformable sous très forte contrainte définissant une forme approximativement semblable à celle de 1' arti- cle que l'on désire obtenir, et ensuite, ce moule rempli de poudre est soumis à une compression isostatique pour former le comprimé. L'addition d'un lubrifiant volatil à la poudre peut être faite pour obtenir une densité relativement élevée sous une pression isostatique donnée.En variante et dans le même but, la poudre peut être préformée à la forme requise de manière unidirectionnelle dans une matrice, montée sur une presse à piston, soumise à une pression relativement faible, cette opération de préformage fournissant à cette préforme un revêtement protecteur produisant une étanchéité de ses pores. Cette préforme revêtue est ensuite soumise à une compression isostatique sous une pression relativement élevée. Dans ce dernier cas, cette préforme est,de préférence,fabriquée au moyen d'une presse de tassement à piston, la matrice de celle-ci ayant la forme requise. La préforme faiblement comprime, après avoir été enlevée de la matrice, est alors revêtue ou enduite de caoutchouc ou de matière plastique, par exemple par pulvérisation ou par immersion et,ainsi revêtue, est soumise à une cpmpression isostatique élevée. Lorsque des pressions de compression, suffisamment élevées, sont utilisées, il est possible de profiler le comprimé au moyen d'opérations de coupe normales du métal après la compression mais avant le frittage. Par ce procédé beaucoup plus de taux d'enlèvement de matière est permis que sur un matériau fritté ou fabriqué de manière classique. Pour certaines applications, il est possible d'effectuer toute la compression nécessaire au moyen d'une presse à piston sans faire ensuite de compression isostatique, mais dans ce cas, on doit utiliser un lubrifiant volatil convenable, mélangé dans la masse de poudre avant 1 'opération de coqpres- sion ou plus simplement pulvérisé dans la matrice de la presse, afin de réduire le frottement sur les parois de cette matrice, et par là, l'usure de celleci. Lorsqu'un article composite doit être fabriqué, une poudre ayant une première composition déterminée peut être introduite dans un moule de compression autour d'une pièce métallique rapportée ayant une seconde composition, puis le moule est soumis à une compression isostatique. Ensuite, l'opération suivante de frittage du comprimé obtenu lie fermement de manière métallurgique la pièce rapportée à la poudre qui l'entoure. La pièce rapportée peut être un élément de métal plein fabriqué préalablement à partir de poudre ou par des moyens classiques, ou encore cette pièce rapportée peut être constituée seulement de poudre comprimée préalablement ou de poudre en vrac, c'est-à-dire non comprimée, ayant une composition différente de celle de la poudre environnant cette pièce rapportée.A noter que cette pièce rapportée n'a pas besoin d'être constituée d'acier à outils, d'acier allié ou d'acier inoxydable. Lorsque la poudre est comprimée en contact avec un mandrin, celui-ci étant choisi pour ne pas pouvoir se lier de manière métallurgique avec la poudre pendant l'opération de frittage, il est possible de maintenir la forme de ce mandrin dans le comprimé lors de cette dernière opération, le mandrin étant, bien entendu, enlevé seulement après frittage. En utilisant ce procédé, des matrices femelles de section complexe ou des organes similaires ayant de bonnes propriétés mécaniques, peuvent être formés à des tolérances très serrées. Lorsque, par exemple, l'article que l'on désire obtenir est une billette composite devant être ensuite usinée, la poudre obtenue à partir de la pulvérisation de gaz, de vapeur ou d'eau, est, de préférence, tamisée pour la séparer en composants fins et en composants grossiers. Ensuite, un moule peut être rempli de ces poudres granuleuse et fine de façon telle qu'un noyau de poudre granuleuse soit recouvert par une couche extérieure de poudre fine distribuée sur au moins la majeure partie de sa surface. Le moule est ensuite soumis à une pression pour comprimer ces poudres. On doit noter que ce remplissage divisé peut être utilisé pour obtenir une bonne qualité de surface mais qu'il ne constitue pas une partie essentielle du procédé de fabrication d'acier homogène. La compression isostatique est, de préférence, réalisée dans un bain de fluide et à une pression comprise dans la gamme de 4218 kgp/cm2 (60.000 psi) 2 à 14.061 kgp/cm (200.000 psi) et, de préférence, comprise dans la gamme de 6327 kgp/cm2 (90.000 psi) à 9139 kgp/cm2 (130.000 psi). Cependant, l'addition kgp/cm de lubrifiants permet de réduire la pression nécessaire pour l'obtention des densités relativement satisfaisantes. Par exemple, l'addition de stéarates métalliques au taux de 0,5 à 1 t en poids peut permettre de réduire la pression convenable dans la gamme de 4218 kgp/cm2 (60.000 psi) à 7030 kgp/cm2 (100.000 psi). Un comprimé formé par compression isostatique de la poudre à une pres 2 sion d'environ 6327 kgp/cm2 (90.000 psi) peut avoir une densité relative d'en- viron 75 %. La désoxydation du comprimé est réalisée par un procédé dans lequel la poudre métallique contenant du carbone sous forme combinée ou additionnée est chauffée de façon à favoriser la suppression de l'oxygène en produisant la formation d'oxydes de carbone et en enlevant continuellement ces oxydes qui l'environnent pour réaliser ainsi un enlèvement continu de l'oxygène. Initiale ment, par exemple, un vide de 10 4 torr est utilisé lorsque la poudre est chaux fée pour atteindre une température de 9000C, la désoxydation principale se produisant de préférence dans la gamne de 1000 à 12000C. Les produits métalliques volatils peuvent être supprimés en empirant le vide quelque peu au-dessus des températures auxquelles se dégagent de tels produits volatils.De manière typi que, un vide de 10 4 torr, utilisé jusqu'à 9000C, peut etre ramené à 10 1 torr pour des températures plus élevées en injectant un gaz inerte, tel que, par exemple, de l'azote, de l'hydrogène, de l'argon ou de l'hélium. Divers gaz peuvent être utilisés à des niveaux de température différents. Il est préférable d'alimenter un tel gaz inerte et d'augmenter puis d'abaisser alternativement sa pression afin de purifier le protoxyde de carbone et le gaz carbonique de 1'in- térieur du comprimé. Par exemple, la chambre du four peut être alternativement remplie de gaz inerte sous une pression de 0,2 à 1 torr puis vidée de ce gaz à une pression de 0,05 à 0,1 torr, ce cycle de remplissage et de vidange étant répété aussi souvent qu'il est nécessaire. Il a été proposé pour des comprimés de poudre de fer, d'améliorer la densité, la solidité et la liaison métallurgique de comprimés frittés, en introduisant un alliage ou un métal d'apport, à point de fusion faible, dans les vides par action de capillarité pendant l'opération de frittage. Dans ce procédé, une certaine quantité de métal ou d'alliage d'apport, par exemple, du cuivre, de l'argent, du cobalt et des alliages de ceux-ci, est placée en contact avec le comprimé au début de l'opération de frittage de façon que pendant ce frittage le métal ou alliage fonde et remplisse les vides. Ainsi, un produit à pleine densité est réalisé. Bien que ce procédé ne soit pas normalement utilisé pour des poudres d'acier à outils ou des poudres d'acier allié de haut rendement, on a trouvé que ce procédé était possible à utiliser pour densifier le produit constitué de telles poudres.Cependant, on a préféré atteindre le même but, sans utiliser un alliage ou un métal secondaire, en choisissant la température de frittage, de façon à amener en phase liquide les compositions solides d'acier à température de fusion basse pendant le frittage, alors que 1 ton est assuré que les autres compositions restent en phase solide.Quai qu'il en soit, les procédés de frittage par diffusion dans la masse, écoulement massique interne, et formation de solutions solides et d'autres composés chimiques, sont accélérés et, en meme temps, des pressions de tension superficielle sont produites de façon suffisante pour supprimer la majorité des pores ou soufflures à l'intérieur du comprimé et pour amener les vides à se diriger vers la surface de ce dernier, afin d'obtenir une densité qui approchera de la pleine densité de 1 t acier à partir duquel ce comprimé est formé. Ainsi, par ce simple moyen de frittage à une température plus élevée que celle qui était précédemment utilisée, il est possible de réaliser un produit sensiblement très dense. La température de frittage doit être contrôlée de manière rigoureuse pour régler la valeur de la phase liquide présente dans le comprimé pendant le frittage. De manière typique pour un acier à outil, la température de frittage peut prendre place dans la gamme de températures de 1180"C à 12800C pendant une période comprise entre une demi-heure et quatre heures. La présente invention sera mieux comprise de l'exemple ci-après décrit concernant un procédé de fabrication d'un article en acier à outils, conforme à son objet. De la poudre métallique a été fabriquée à partir d'une masse fondue d'acier à outils ayant la composition suivante, en plus du fer Carbone 1 t Tungstène 6 t Molybdène 5 % Chrome 4,5 % Vanadium 2 % Manganèse moins de 0,2 % Sulfure moins de 0,03 % Phosphore moins de 0,03 % tous ces pourcentages étant donnés en poids. La masse fondue est pulvérisée au moyen de jets dirigés vers le courant descendant d'acier suivant une pente descendante par rapport à la verticale, comprise entre 12 et 180 pour de la vapeur d'eau ou 20 et 30 pour du gaz 2 ou de l'eau, età une pression comprise entre 1,4 kgp/cm2 (20 psi) et 14 kgp/ (200 psi) pour du gaz ou de la vapeur d'eau, et comprise entre 70,30 kgp/ cm (1000 psi) et 281,2 kgp/cm2 (4000 psi) pour de l'eau. Les gouttelettes pulvérisées sont trempées à l'eau en prenarrt centact avec l'eau s'écoulant librement, puis ces gouttelettes trempées tombent, sous la forme de poudre, dans un bain d'eau duquel elles sont ensuite enlevées au moyen d'une pompe ou d'un électro-aimant.La tombée libre totale des gouttes avant la trempe ne doit pas être plus grande que 0,46 m et, de préférence, doit être comprise entre 0,15 m et 0,20 m afin de donner des particules de formes irrégulières. La poudre est recuite sous vide ou dans une atmosphère d'hydrogène/ azote, à environ 8700C et est alors refroidie à une température comprise entre 600 et 7000C suivant un taux de 25 à SO0C par heure, le refroidissement du four étant réalisé à l'air ambiant. La poudre recuite est ensuite mélangée à du graphite et/ou à des lubrifiants volatils, tels que des stéarates et/ou des poudres métalliques ou d'autres poudres, dans un tambour rotatif, afin d'alimenter respectivement le carbone en excès pour l'opération suivante de désoxydation, la poudre lubrifiante pour la compression, ou des poudres de correction de la composition pulvérulente ou des poudres d'addition à celle-ci. Un comprimé est alors formé par n'importe lequel des procédés décrits ci-dessus, en utilisant une compression isostatique ou une compression par piston de presse à une pression comprise entre 4218 et 14061 kgp/cm2 (60.GO0 et 200.000 psi) mais de préférence, située aux environs de 7030 kgp/cm2 (100.000 psi). Si le comprimé doit être fabriqué en partant de poudre fine et de poudre granuleuse séparées, un moule ayant un manchon interne amovible doit être utilisé. En premier lieu, une couche de fines particules est déposée dans le fond du moule;Ensuite, le manchon est placé dans ce moule et rempli de particules granuleuses, alors que des particules fines sont versées entre les parois du moule et ce manchon. Lorsque le remplissage est terminé, le moule est vibré de façon que les particules se tassent et que l'air en surplus stévacue, le manchon étant alors retiré et la vibration poursuivie à nouveau. Le moule est ensuite soumis à la compression. Dans cet exemple, un comprimé de 50,8 mm de diamètre et de 50,8 nin de longueur à partir de poudre a une densité relative de 75 t. Ensuite, ce comprimé doit être désoxydé et fritté. Pour ce faire, il est placé dans un four à vide qui a été purgé de l'oxygène atmosphérique en le vidant jusqu'à une pression de 0,0005 torr. Alors que cette pression est maintenue, on chauffe le four contenant maintenant le comprimé, pendant une période de trente minutes, jusqu'à ce que ce dernier atteigne la température de 900"C. La température est ensuite lentement élevée, continuellement ou d'une manière graduelle tout en maintenant ce vide, jusqu'à ce que le comprimé atteigne une température de 1100 C. Le four est alors rempli d'azote sous une pression de 0,2 torr tout en maintenant cette température et est maintenu sous ces conditions pendant trente secondes, à la fin desquelles on le vide à nouveau jusqu'à une pression de 0,05 torr. Le cycle de remplissage du four avec de l'azote, suivi de la mise sous vide, est répété jusqu'à ce que le four atteigne la temr pérature de frittage de 1240"C, l'opération durant quatre vingt dix minutes et la désoxydation étant achevée avant l'opération de densification du traitement de frittage.Le four est encore maintenu à la température de frittage pendant une période d'une heure et, ensuite, il est refroidi et le comprimé est retiré. Une analyse du comprimé obtenu a démontré que celui-ci avait une teneur en oxygène de 300 p.p.m et était complètement dense. Conformément au produit final désiré et au procédé de fabrication du comprimé, le comprimé fritté peut nécessiter très peu de travail complémentaire, si ce n' est pour faire une finition de sa surface, ou peut être travaillé à chaud pour améliorer ses propriétés. Il peut être ensuite usiné pour former l'outil fini désiré. A noter que par travail à chaud, on comprend le formage à la forge, le laminage par faibles passes ou par passes serrées ou 1 'étampage rotatif. En variante, le traitement de finition de surface peut être combiné avec une opération de densification en réalisant un étampage rotatif à froid, un forgeage à froid, ou un laminage à froid entre des cylindres qui peuvent être en matière dure telle que du carbure de tungstène. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un article métallique à partir de poudre mé- tallique où prédomine de l'acier à outils, de l'acier allié ou de l'acier inooxydable, procédé dans lequel la poudre est désoxydée et comprimée, puis le comprimé obtenu est fritté, caractérisé par le fait que la compression est réalisée à une pression comprise dans la gamme de 4218 kgp/cm2 (60.000 psi) à 2 14061 kgp/cm (200.000 psi) pour fournir une densité relative de 70 à 92 , la poudre étant désoxydée dans sa forme comprimée pendant un simple cycle de chaud;; fage au cours de l'opération de frittage, et pendant cette opération le comprimé étant densifié à au moins 98 % de la densité relative en le frittant à une température supérieure à la température de solidus de l'acier ou en introduisant dans ses vides un métal secondaire ou un alliage métallique. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la poudre qu'il utilise est fabriquée en pulvérisant un courant descendant d'acier en fusion au moyen de jets de gaz,de vapeur d'eau ou d'eau, dirigés sur ce courant, l'eau trempant les gouttelettes d'acier chaudes produites de manière à donner des particules de formes irrégulières. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la poudre est mélangée à du graphite avant la compression pour alimenter du carbone en excès afin d'en compenser la perte au cours du traitement de désoxydation. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la poudre est comprimée à une pression comprise dans la gamme de 6327 kgp/cm2 (90.000 psi) à 9139 kgp/cm2 (130.000 psi). 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'article est fabriqué à une forme désirée au cours d'une opération de compression en deux stades, comprenant une compression initiale sous une pression relativement faible pour fabriquer une préforme de la forme requise et pour donner à cette préforme un revêtement protecteur adapté pour sceller ses pores, et ensuite, une compression isostatique de cette préforme revêtue sous une pression relativement élevée. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'article est fabriqué à une forme désirée au moyen d'une cotez pression isostatique dans un moule déformable sous forte contrainte et définissant une forme sensiblement identique à celle de l'article désiré. 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'un lubrifiant volatil est mélangé à la poudre avant l'opération de compression. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que 1 'article est usiné ou rodé à un profil requis après la forma tion d'un comprimé mais avant l'opération de frittage. 9.- Procédé selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 4 ou 6, caractérisé par le fait que l'article comporte un noyau formé à partir d'une poudre granuleuse et une couche extérieure formée à partir d'une poudre fine. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la désoxydation est réalisée à une température supérieure à 9000C, mais de préférence,à à une température comprise dans la gamme de 1000 à 12000C. 11.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le comprimé est fritté à une température comprise dans la gamme de 1180"C à 1 2800C pendant une période de une demi-heure à quatre heures. 12.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que la désoxydation se produit,au au moins une partie du temps,sous vide, ce vide étant amenuisé lorsque la température est élevée en vue de supprimer l'évolution de produits métalliques volatils. 13.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que pendant la désoxydation, l'atmosphère environnant le comprimé est alternativement évacuée et remplacée par un gaz inerte. 14.- Article métallique fabriqué à partir d'une poudre métallique, caractérisé par le fait qu'il est obtenu par la mise en oeuvre du procédé défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 13.