Brevet FR2528744A1 — publié le 19831223

La présente invention concerne un procédé de fabrica- tion, à partir de métaux en poudre à base de fer, d'un alliage de haute masse volumique qui se caractérise par sa résistance mécanique élevée et par une facilité d'usinage exceptionnelle. Il est bien connu qu'on peut augmenter la résistance des alliages ferreux fabriqués de manière classique, en y ajou- tant certaines quantités mineures de cuivre Malheureusement, bien que l'addition de cuivre donne certains résultats positifs quant à l'accroissement de la résistance, son utilisation com- porte en même temps certains côtés préjudiciables Par exemple, l'addition de cuivre à des alliages classiques à base de fer provoque souvent chez ceux-ci une sensibilité au criquage à chaud, c'est-à-dire à un fissurage interne excessif. Pour résoudre ce problème de criquage à chaud, on a fabriqué des alliages à haute masse volumique, à base de fer, avec la technologie classique des métaux en poudre Ces produits sont obtenus par formage du produit souhaité à sa configuration finale Cependant, on éprouve par la suite quelques difficultés à usiner ces produits résultants. Par conséquent, le but principal de la présente inven- tion est de fournir un procédé de fabrication d'un alliage à haute masse volumique, à partir de métaux en poudre à base de fer, cet alliage se caractérisant par une exceptionnelle résis- tance et une grande facilité d'usinage. Sous un de ses aspects, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un alliage usinable, formé à chaud à partir de métaux en poudre à base de fer, au cours duquel on réalise un mélange particulaire qui comprend, en poids de 1,0 à 3,0 pour cent environ de cuivre, de 0,16 à 0,35 pour cent en- viron de soufre, de 0,4 à 0,8 pour cent environ de carbone, le reste étant du fer, avec aussi de O à 2,0 pour cent environ d'impuretés, on façonne ce mélange en un produit préformé ayant une configuration prédéterminée, on fritte le produit ainsi formé à une température suffisante pour produire l'alliage sou- haité et on soumet l'article fritté à un traitement de formage chaud, de manière à obtenir un produit formé à chaud ayant une masse volumique proche de la densité théorique. Sous un autre aspect, l'invention a pour objet un alliage formé à chaud à partir de métaux en poudre à base de fer, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé décrit ci-dessus. Le mélange utilisé dans la mise en oeuvre de l'inven- tion comprend des quantités mineures de cuivre, de soufre et de carbone, son composant principal étant le fer Ce mélange peut contenir en poids jusqu'à 2,0 pour cent d'impuretés tel- les que du magnésium, du silicium et de l'aluminium. Dans la mise en oeuvre de l'invention, des particules de cuivre, de soufre, de carbone, de fer et un lubrifiant ap- proprié sont mélangés intimement pour former une masse homogè- ne Les différents composants du mélange destiné à l'alliage sont pris dans des proportions telles qu'on a, en poids de 1,0 à 3,0 pour cent environ de cuivre, de 0,16 à 0,35 pour cent environ de soufre, de 0,4 à 0, 8 pour cent environ de carbone, le reste étant du fer, avec aussi de O à 2,0 pour cent environ d'impuretés La taille exacte des particules des composants de l'alliage n'est pas fondamentale, mais elle doit être telle qu'elles puissent être facilement compactées pour pouvoir ob- tenir un produit préformé qu'on pourra ensuite traiter suivant l'invention. Même si ce n'est pas essentiel dans le procédé de l'invention, il est courant d'ajouter un lubrifiant au mélange formé par les éléments de l'alliage Ceci afin d'aider à la réalisation du mélange et pour faciliter le compactage A cet effet, on peut utiliser divers lubrifiants, tels que le stéa- rate de zinc et 1 'ACROWAX (une cire synthétique à base de dia- mide gras, fabriquée par Glycol Chemical Inc de N Y,N Y). Cependant, le type de lubrifiant utilisé dans l'invention étant bien connu dans la technique de la métallurgie des poudres, on n'en discutera pas ici en détail. Une fois qu'un mélange homogène des ingrédients précé- dent a été obtenu, on en prélève une certaine quantité pour façonner un produit préformé ayant une configuration prédéter- minée Cette étape de formage se fait par compactage, dans un mnule, de la quantité souhaitée du mélange particulaire Le degré de cmmpactage n'a pas une importance capitale, mais il doit être'suffisant pour pouvoir fabriquer un produit final fritté à chaud, de masse volumique proche de la masse volumi- que théorique En pratique, il est souhaitable de compacter les matériaux non frittés de l'alliage jusqu'à une masse volj- mique dépassant 75 pour cent de la masse volumique théorique. Le produit ainsi compacté est alors soumis à\ un trai- tement de frittage à une température et pendant une durée suf- fisantes pour pouvoir obtenir la composition souhaitée de l'al- liage Les paramètres exacts de frittage qui sont suivis sont fonction des proportions exactes des ingrédients spécifiques utilisés pour fabriquer,à partir de métaux en poudre, l'allia- ge final souhaité Tandis que le frittage peut être effectué en atmosphère inerte, il est souhaitable d'utiliser, dans la mise en oeuvre de l'invention, une atmosphère endothermique réglée Ce type d'atmosphère étant bien connu dans la techni- que, on n'en discutera pas plus en détail ici. Après frittage, le produit résultant est ensuite sou- mis à une technique de formage à chaud, telle que le forgeage à chaud Ce formage à chaud (en l'occurrence un forgeage à chaud) s'effectue de manière classique jusqu'à un point tel que le produit obtenu, forgé à chaud à partir de métaux en poudre, ait une masse volumique d'environ 99 pour cent ou plus de la masse volumique théorique. Le produit d'alliage ainsi fabriqué, à résistance mécanique élevée, formé à chaud à partir de métaux en poudre, peut être alors facilement usiné Le produit résultant est donc un produit issu de métaux en poudre à base de fer, qui dénote une exceptionnelle résistance mécanique et une excellente fa- cilité d'usinage. La présente invention va maintenant être décrite plus en détail et illustrée à l'aide de l'exemple non limitatif suivant, qui représente un mode préféré de mise en oeuvre de celle-ci. 1 -On choisit un mélangeur approprié qu'on purge préa- lablement à l'aide de fer brut pour en enlever les impuretés. 2 On charge ensuite le mélangeur avec 34 kilogrammes de cuivre, 5,7 kilogrammes de soufre, 13,6 kilogrammes de car- bone, 22,7 kilogrammes de lubrifiant (ACROWIAX) et 1 134 kilo- grammes de fer La poudre de cuivre a été dimensionnée de ma- nière à traverser à cent pour cent un tamis à mailles de 0,074 mm d'ouverture Le soufre ainsi que le carbone ont été dimensionnés pour traverser à cent pour cent un tamis à mailles de 0,044 mm d'ouverture La poudre de fer a été dimensionnée pour passer à cent pour cent à travers un tamis à mailles de 0,177 mm d'ouverture La répartition spécifique des tailles de la poudre de fer était de 0,1 % de 0,177 à 0,149 mm, de 12,1 de 0,149 mmn à 0,105 mm, de 29,5 % de 0,105 mm à 0,074 mm, de ,4 a de 0, 074 mm à 0,062 mm de 19,3 % de 0,062 mm à 0,044 mm, et, de 23,6 % inférieur à 0,044 mm Les particules du lubri- fiant (ACROWAX) ont été dimensionnées de manière à traverser à 99,9 pour cent un tamis à mailles de 0,044 nmmn d'ouverture. 3 -Les matériaux décrits ci-dessus sont alors mélan- gés pour assurer une bonne répartition des poudres. 4 On ajoute ensuite au mélange précédent 1081 kilo- grammes de fer brut, ayant la répartition précédente de tail- les de particules. Ces poudres sont ensuite à nouveau mélangées pen- dant à peu près 30 minutes jusqu'à obtenir un mélange homogène. 6 On contrôle ensuite le mélange des poudres pour voir si le degré voulu d'homogénéité a été atteint. 7 Une quantité adéquate du mélange précédent est en- suite placée dans une cavité de moule et agglomérée à une pres- sion d'environ 4 560 x 10 Pa jusqu'à une masse volumique d'en- viron 6,1 à 6,7 grammes par centimètre cube Le produit préfor- me aggloméré ainsi obtenu est autoportant et de forme générale cylindrique comportant deux ailettes verticales ou oreilles, s'étendant à partir de ses parois latérales. 8 Le produit ainsi formé est ensuite placé dans un four et fritté en atmosphère endothermique réglée L'at- mosphère de frittage se compose d'un mélange d'hydrogène, de monoxvde de carbone, d'azote, de dioxyde de carbone, de métha- ne et d'eau Ledit produit est maintenu à une température d'en- viron 1 120 O C pendant à peu près 20 minutes de manière à ob- tenir la composition voulue de l'alliage. 9 Le produit ainsi fritté est ensuite enlevé du four de frittage et revêtu d'une solution de graphite et d'eau alors qu'il est encore chaud (à environ 150 OC), pour permettre à l'eau de s'évaporer et au graphite de se déposer sur ledit pro- duit. 10 Le produit revêtu de graphite est ensuite chauffé à une température de formage d'environ 1 040 OC en atmosphère endothermique réglée Le cycle spécifique utilisé consiste à chauffer d'abord le produit jusqu'à 760 OC, puis jusqu'à 1 1200 C et enfin jusqu'à 1 040 OC On chauffe dans chacune des gammes précédentes de températures pendant 8 à 10 minutes environ. 11 Le produit ainsi chauffé est ensuite placé à l'in- -térieur d'un moule et soumis à une pression d'environ 7 650 à 8 050 x 105 Pa, de manière à obtenir un produit de masse volu- mique apparente de 7,8 grammes par centimètre cube. 12 On enlève le produit formé à chaud du moule et on le laisse refroidir dans l'atmosphère ambiante. 13 Le produit formé à chaud est alors usiné de ma- -nière classique aux dimensions finales souhaitées, sans la moin- dre difficulté. Les produits fabriqués grâce à-la technique précéden- te ont démontré une résistance mécanique particulièrement éle- vée De manière caractéristique, les produits fabriqués confor- mément & la présente invention ont une résistance à la traction dépassant 6 340 x-10 Pa environ, avec un allongement de l'or- dre de 20 S D'après ce qui précède, il est clair que la présen- ô te invention rend possible la fabrication de produits formés à chaud à partir de métaux en poudre à base de fer, ayant une résistance mécanique exceptionnelle et une capacité d'usinage Ielvée. 2 a V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de fabrication d'un alliage à résistance mécanique élevée, formé à chaud à partir de métaux en poudre à base de fer, caractérisé en ce qu'on réalise un mélange par- S ticulaire qui comprend, en poids, de 1,0 à 3,0 pour cent envi- ron de cuivre, de 0,16 à 0,35 pour cent environ de soufre, de 0,4 à 0,8 pour cent environ de carbone, le reste étant du fer, avec aussi de O à 2,0 pour cent environ d'impuretés; on façon- ne ce mélange pour obtenir un produit préformé ayant une confi- guration prédéterminée; on fritte le produit ainsi obtenu à une température suffisante pour produire l'alliage souhaité eton soumet l'article fritté à un traitement de formage à chaud, de manière à obtenir un produit formé à chaud ayant une masse volumique proche de la masse volumique théorique. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le produit fritté et formé à chaud est usiné de manière à obtenir un produit ayant les dimensions finales souhaitées. 3 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange particulaire est soumis à un traitement de malaxage de manière qu'on obtienne un mélange homogène de par- ticules avant de le mettre sous la forme d'un produit ayant la configuration souhaitée. 4 Procédé suivant la revendication l, caractérisé en ce qu'on revêt le produit fritté préformé avec un lubri- fiant au graphite avant de le soumettre à un traitement de for- mage à chaud. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de formage à chaud est un forgeage à chaud. 6 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on compacte le produit préformé pour qu'il ait une masse volumique dépassant 75 pour cent de la masse volumique théorique. 7 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réchauffe le produit fritté préformé avant de le former à chaud. 8 Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'on soumet le produit fritté à un traitement de for- geage à chaud jusqu'à un point tel que le produit obtenu est une masse volumique d'au moins 99 pour cent de la masse volu- mique théorique. 9 Un alliage usinable à résistance mécanique élevée, fabriqué à partir de métaux en poudre à base de fer, caracté- risé en ce qu'il est obtenu par un procédé tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 8.