Brevet FR2504425A1 — publié le 19821029

Procede de fabrication d'une pièce en metal fritté à partir d'un mélange pâteux moule, et moule pour la mise en oeuvre du procedé. L'invention est relative a un procédé de fabrication d'une piece en métal fritte à partir d'un mélange pâteux moulé, au mélange pâteux et au moule pour la mise en oeuvre de ce procede. La fabrication de pièces en métal fritté nécessite, avant frittage, l'élaboration d'ébauches de compact obtenues par pressage à très hautes pressions de poudres metalliques dans un moule. Ces techniques ne permettent en général d'élaborer que des ebauches de compact de forme régulière et stylisée ou fonctionnelle. L'élaboration d'ébauches de compact de forme compliquee notamment en vue soit d'un effet décoratif soit de recherche de précision de reproduction de forme a été proposée à partir de melanges pâteux constitues par la poudre métallique et par un liant et ont été décrits notamment dans la demande de brevet français numéro 2 390 230, le brevet americain 4 113 480, le brevet britannique 1 516 079, et le brevet allemand 1 533 035. Dans les documents précités l'élaboration d'une ebauche de compact est proposée par la mise en oeuvre des-techniques d'injection ou d'extrusion du mélange pâteux précite.Toutefois, l'opération de frittage de l'ébauche de compact nécessite que celleci soit totalement libérée du liant qui a permis sa réalisation afin que le processus de frittage permette d'obtenir des pièces de compacité et de degré de cohésion suffisants. Le liant qui, afin d'assurer les opérations convenables d'injection ou d'extrusion, doit être ajou té en quantité importante a la poudre métallique doit au contraire être évacué au maximum avant frittage, operation qui a pour effet de produire une ébauche de compact fragile, friable et de compacité insuffisante. Dans les documents cités, l'évacuation du liant est assure par chauffage de l'ébauche de compact auprès pressage, ce qui ne resoud pas de manière satisfaisante le problème de la compacité et de la cohésion de celle-ci avant le frittage. L'invention a pour but de remédier a l'inconvénient précité. - Un objet de la présente invention est un procédé et un dispo sitif de fabrication d'une piece en métal fritté à partir d'un mélange pâteux moulé dans lequel la majeure partie du liant est évacuée mecaniquement au cours de l'élaboration de l'ébau che de compact. - Un autre objet de la présente invention est un procède et un dispositif permettant l'élaboration, par la technique du mou lage, d'ébauches de compact de grande cohésion et de grande compacité en vue d'un frittage comparable à celui des techni ques de frittage classiques. - Un autre objet de la présente invention est un procédé et un dispositif permettant une recuperation du liant utilisé pour le moulage de l'ébauche de compact. - Un autre objet de la présente invention est un procéde et un dispositif permettant, sans inconvénient pour la qualité de l'ébauche de compact, d'utiliser de grandes quantités de liant par rapport au métal en vue de faciliter le moulage par injec tion ou extrusion dans des conditions ordinaires de températu re et de pression. Le procédé, le dispositif et les moyens de mise en oeuvre de l'invention sont définis respectivement par les revendications principales actuelles du jeu de revendications. Le procéde, le dispositif et les moyens de mise en oeuvre de l'invention peuvent être utilisés pour la fabrication de pièces métalliques frittees, notamment en acier inoxydable, pour lesquelles les techniques habituelles de frittage sont particulièrement difficiles à mettre en oeuvre. Ces pièces peuvent avantageusement être pourvues d'une forme complexe à vocation fonctionnelle ou ornementale comme les boîtes de montres ou les pièces métalliques à faible usure. D'autres caractéristiques et particularités de l'invention apparaîtront dans la description et les dessins ci-apres dans lesquels: - la figure 1 represente schématiquement en a bX cX d)les diffé rentes étapes du procédé selon l'invention; - la figure 2 représente une variante de réalisation du procéde tel que schématisé figure 1; - la figure 3 représente une autre variante de réalisation du procede; - les figures 4 et 5 représentent un détail de realisation du procedé conformement à l'invention; - la figure 6 représente un mode de réalisation avantageux d'un moule permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Selon la figure 1, le procedé tel que représenté en a) consiste à mélanger le metal M sous forme de poudre avec un liant plastique L pour former un mélange pâteux Par liant plastique on entend liant malléable et deformable. Un agitateur A représente en a) permet d'obtenir une bonne homogénéité du mélange. L'agitateur peut être de pre- férence constitué par un dispositif à ultrasons. Le mélange pâteux P ainsi que représenté en b) est placé dans un moule 1 comprenant au moins une ouverture 10 dont l'une des dimensions de la section est au moins du même ordre de grandeur que la dimension des grains formant la poudre de metal.Ainsi que représente en c) le mélange pâteux est soumis une temperature T1 et à une pression P permettant d'evacuer la majeure partie du liant L au travers des ouvertures du moule 10. La proportion de poudre métallique dans le melange est ainsi augmentée de maniere à former ainsi une ébauche de compact de grande cohésion et de grande compacite en raison de l'évacuation du liant sous l'influence de la pression de compactage P. Ainsi que représenté par la suite en d), l'ébauche de compact 2 est soumise a un frittage dans une enceinte thermique 3 sous atmosphère reductrice à température T2 supérieure à 9000 C. L'atmosphère réductrice peut être établie par admission dans l'enceinte thermique d'un melange azote hydrogène N2 , H2 obtenu par exemple par crackage d'ammoniac 2NH3 N2 + 3H2 Conformément au mode de realisation de la figure 2, la mise en place du mélange dans le moule 1 est effectuée par injection. Le moule comporte une buse d'injection 11 par laquelle le mélange pâteux, qui se trouve à température ambiante, est introduit dans le moule 1 chauffé à une température comprise entre 1300C et 1800C sous l'effet d'une pression de quelques kilogrammes par centimètre carré. L'admission du mélange pâteux par injection permet la réalisation du procedé au stade industriel. Dans ce cas la pression de compactage P peut être exercée mécaniquement au moyen d'une presse habituellement utilisée dans la technique du frittage des poudres ainsi que représenté schématiquement figure l c. La pression de compactage P ainsi que représenté schematiquement figure 2 peut également dans ce cas être exercée hydrauliquement par accroissement de la pression d'injection au moyen du compresseur d'injection, non représenté figure 2 pour raison de clarté, jusqu'aux valeurs préconisées de pression de compactage de plusieurs tonnes par centimètre carré. Sur la figure 2, l'accroissement de pression P est symbolisé par la flèche ascendante, la double flèche symbolisant le flux du mélange pâteux. Ce dernier mode operatoire est particulierement avantageux car il permet d'assurer le compactage de l'ébauche de compact à volume constant ce qui permet la mise en oeuvre d'ébauches de compact de dimensionnement de précision. Selon une variante de realisation represente figure 3, le mélange est mis en place dans le moule sous forme d'un lingot pâteux 4. Le lingot pâteux 4 est par exemple de forme oblongue ou cylindrique, forme adaptée à la matrice 51 de la piece à produire, et son volume est supérieur à celui de la pièce terminée. Sur la. figure 3,la matrice 51 et la pièce terminée, sont réputées avoir de maniere non limitative la forme d'une éprouvette. Quel que soit le mode de mise en place du melange pâteux dans le moule, le mélange est soumis dans le moule à une température T1 comprise entre 1500 C et 2500 C en vue de fluidifier au maximum le liant pour son évacuation.Le melange pâteux est en outre soumis à une pression P comprise entre 1 et 2 tonnes par centi mètre carre permettant simultanement l'évacuation de la quasi totalite du liant L au travers de l'interstice compris entre les deux parties du moule et le compactage et la cohésion de l'ébauche. de l'utilisation du liant. Dans le cas de la mise en place du mélange pâteux dans le moule sous forme d'un lingot, pression de compactage P est assurée mécaniquement au moyen d'une presse agissant sur un élement mobile 52 complément de la matrice 51. Ainsi que représente figure 4, la phase permettant d'evacuer la majeure partie du liant, préalablement au frittage, est complétée par un chauffage doux de l'ébauche de compact en atmosphère réductrice. Cette étape supplementaire,bien que non indispensable,permet d'assurer le retrait du liant résiduel de l'ébauche de compact. L'ebauche de compact est placée dans l'enceinte. thermique 3 en atmosphère reductrice d'hydrogène à une température comprise entre 2500 C et 4800 C pendant quelques minutes. Le frittage est alors effectuée à temperature superieure à 9000 C, la température maximale etant voisine de 14000 C en atmosphère d'azote et d'hydrogène par exemple. Le frittage est par exemple effectué par croissance régulière de la temperature jusqu'à la température maximale TM, maintenue pendant une durée T, ainsi que représenté figure 5, puis décroissance régulière de la température de même durée. La croissance, le maintien et la décroissance de température ont une valeur T égale à 2 heures à titre d'exemple. Le chauffage doux de l'ébauche de compact permettant d'assurer le retrait du liant résiduel peut directement être intégre à la phase de croissance de température de frittage.Dans ce cas la phase de croissance de température de frittage permet d'assurer le chauffage doux permettant le retrait du liant residuel. Le métal peut consister soit en poudre d'acier inoxydable, poudre d'acier au nickel, fer pulvérulent, poudre de cuivre ou de metal dont le point de fusion est proche de la temperature de frittage et leurs mélanges, ce métal, par fusion, assurant une impregnation de la pièce finale. Le procédé de l'invention peut également sans inconvénient être mis en oeuvre dans le cas de l'utilisation de poudres métalliques normalement utilisées dans la technique des métaux frittés telles que, par exemple, la poudre de titane, de zirconium, de hafnium, de tantale, de tungstène, de rhodium, de rhénium et leur combinaison. Le liant plastique est constitué par une substance organique telle qu'une cire, une paraffine ou une matière plastique telle que le polyéthylène ou le polyméthylméthylacrylate. Cette substance peut être me- langée à un solvant. Le solvant peut être constitue, par exemple, par tout solvant habituel tel que le trichloréthylène ou le tetrahydrofurane. Le liant et la poudre metallique sont en pourcentage volumique voisin de préférence. Ainsi les pourcentages respectifs sensiblement de 50% peuvent être amenés à 20% de poudre métal et 80% de liant. Une telle proportion permet, notamment dans le cas de mise en place du mélange pâteux par injection puis exercice de la pression de compactage par augmentation de la pression d'injection, de diminuer au maximum les pertes de charges au sein du mélange pâteux afin d'uniformiser au maximum la pression de compactage dans les différentes zones du moule. Le moule ainsi que représente figure 1, 2, 3 et 6 comporte au iolns une ouverture dont l'une des dimensions de la section est au moins de l'ordre de grandeur de la dimension des grains constituant la poudre et peut atteindre jusqu'à 4 à 5 fois la dimension moyenne des grains de poudre métallique, la poudre au voisinage des ouvertures jouant le rôle de filtre. Selon un mode de réalisation particulier representé figure 6, le LU- le permettant la mise en oeuvre du procéde de l'invention est const e de deux parties complémentaires 5, 6 comportant une matrice de moulage 51, 61. Les parties complementaires 51,61,sont assemblables, l'assemblage etant disjoint de manière à ménager entre les deux parties complementai- res 5, 6 un interstice jouant le rôle de l'ouverture 10 localisé autour de la matrice de moulage 51,61 et permettant l'évacuation du liant. Un éle- ment mobile 62 complément de la matrice 61 permet d'appliquer la pression de compactage P au lingot pâteux.Une des parties complementaires, la partie 5 par exemple, comporte à la périphérie de la matrice de moulage 51 un réseau de canaux 510 destiné à la récupération du liant évacué par l'interstice. L'assemblage disjoint provoquant l'interstice entre les deux parties complémentaires est assuré par des cales d'épaisseur 520. Les cales ont, à titre d'exemple, une épaisseur de 100 um. Des essais ont éte effectués conformément à l'invention. Le mélange pateux a éte constitue par de la cire fondue et de la poudre d'acier inoxydable commercialisée par les sociétés Hoganas et Glidden sous l'appelation commerciale H 316 L. Les essais de frittage à des températures maximales comprises entre 11600 C et 14200 C pour un temps de frittage de 2 heures dans une atmosphère réductrice 25 H2, 75% N2 ont permis d'obtenir des pièces finales dont la densité était de l'ordre de 80% de la densite maximale théorique. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce en métal fritté consistant a: - mélanger le métal sous forme de poudre avec un liant plastique pour former un mélange pâteux, - placer ledit mélange dans un moule comprenant des ouvertures dont l'une des dimensions de la section est au moins du même ordre de grandeur que -la-dimension des grains formant la poudre de métal, - soumettre le mélange à une température et à une pression per mettant d'evacuer la majeure partie du liant au travers des ouvertures du moule de manière a augmenter la proportion de poudre métallique du melange pour former une ebauche de compact, - soumettre l'ébauche de compact un frittage en atmosphère ré ductrice à température superieure à 9000 C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise en place du mélange dans le moule est effectuée par injection. 3. Procéde selon la revendication 1, caractérise en ce que le melange est mis en place dans le moule sous forme d'un lingot pâteux dont le volume est superieur au volume de la pièce terminee. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le mélange est soumis mécaniquement à une pression permettant d'évacuer la majeure partie du liant au travers des ouvertures du moule. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange est soumis hydrauliquement à une pression permettant d'évacuer la majeure partie du liant au travers des ouvertures du moule, la pression d'injection etant amenée a ladite pression dite pression de compactage. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, préalablement au frittage, la phase permettant d'évacuer une partie substantielle du liant est complétée par un chauffage doux de l'ébauche de compact en atmosphère reductrice destine à assurer le retrait du liant résiduel. 7. Procede selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le liant plastique et la poudre métal sont en pourcentage volunique voisin. 8. Procédé selon l'une des revendications 2, 5, 6 ou 7,caracterisS en ce que l'injection de la pâte est effectuee à température ambiante sous une pression de quelques kilogrammes par centimètre carré. 9. Procéde selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que après mise en place, le mélange pâteux est soumis dans le moule à une température comprise entre 1500 C et 2500 C sous une pression 2 de compactage comprise entre 1 et 2 tonnes/cm 10. Procedé selon la revendication 6, caractérise en ce que le chauffage doux de l'ébauche de compact est effectué à température comprise entre 2500 C et 4800 C en atmosphère d'hydrogène. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractéri Se en ce que le frittage est effectué à temperature maximale voisine de 14000 C en atmosphère réductrice d'azote et d'hydrogène. 12. Procédé selon la revendication 1l,caractérisé en ce que le frittage est effectué par croissance régulière de la température jus qu'à la température maximale, maintien de celle-ci,puis décroissance régulière de la température de durée analogue. 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caracterise en ce que le métal sous forme de poudre est constitué par des grains de diamètre compris entre 20 pm et 100 prn sensiblement. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le métal est un des métaux du groupe acier inoxydable, acier au nickel, fer pulvérulent, cuivre, métal dont le point de fusion est proche de la température de frittage et leur mélange. 15. Procéde selon la revendication 13, caractérisé en ce que le metal est un des métaux du groupe titane, zirconium, hafnium, tantale, tungstène, rhodium, rhenium et leur combinaison. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé ce ce que le liant plastique est formé d'une substance organique. 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la substance organique est associée à un solvant. 18. Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisé en ce que la substance organique est constituée par une substance du groupe cire, paraffine, polyéthylène, polymèthylméthylacrylate. 19. Procede selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que le solvant est constitué par une des substances du groupe trichloréthylene, tétrahydrofurane. 20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le moule comporte au moins une ouverture dont la plus petite di mension de la section est sensiblement égale à 4 à 5 fois la dimension moyenne des grains de poudre métallique. 21. Moule pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ouverture dont la plus petite dimension de la section est sensiblement egale à 4 à 5 fois la dimension moyenne des grains de poudre métallique. 22. Moule selon la revendication 21, caractérise en ce qu'il est constitué de deux parties complémentaires assemblables, l'assemblage des deux parties complémentaires etant disjoint de manière à ménager entre les deux parties compléméntaires un interstice, constituant l'ouverture, autour de la matrice de chaque partie complementaire permettant l'évacuation du liant, une partie complementaire au moins comportant à la périphérie de la matrice correspondante un réseau de canaux destiné à.la récupération du liant évacué par l'interstice. 23. Moule selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'assemblage disjoint des deux parties complémentaires est assure par des cales d'épaisseur. 24. Utilisation d'un moule presentant une ouverture pour la fabrication de pièces en métal fritté à partir d'un mélange pâteux constitue par une poudre métallique et d'un liant plastique.