Brevet FR2638381A1 — publié le 19900504

La présente invention concerne des mélanges de poudres à base de fer. Plus précisément, la présente invention concerne des mélanges usinables de poudres à base de fer contenant du nitrure de bore, le nitrure de bore étant sous forme d'une poudre comprenant des agglomérats de particules de forme irrégulière et de taille inférieure ou égale à 1 pm. La fabrication et l'utilisation de poudres à base de fer sont bien connues et sont décrites en détail dans l'ouvrage Encyclopedia of Chemical Technology de Kirk-Othmer, 3ème édition, volume 19 aux pages 28- 62. Les poudres à base de fer peuvent être obtenues en déversant du fer fondu d'un four dans un distributeur dans lequel le fer en fusion, après avoir franchi des tuyères réfractaires, subit une granulation au moyen de jets d'eau horizon- taux. Le fer granulé est ensuite séché et réduit en une poudre qui est alors soumise à un recuit pour éliminer l'oxygène et le carbone. On recueille un gâteau de fer pur que l'on broie de nouveau en une poudre. Les poudres à base de fer ont de nombreuses applications, telles que la fabrication de pièces par métallurgie des poudres, les revêtements d'électrodes pour le soudage, le découpage au chalumeau et le décapage au chalumeau. Pour les applications de métallurgie des poudres, on mélange souvent la poudre de fer avec des additifs choisis tels que des lubrifiants, des liants et des agents d'alliage. On obtient une pièce à base de fer par métal- lurgie des poudres en injectant une poudre de fer ou d'acier dans la cavité d'un moule ayant une configuration précise, en appliquant une pression pour former un comprimé, en frittant le comprimé puis en effectuant la finition du comprimé fritté selon les spécifica- tions voulues. Les comprimés frittés et façonnés obtenus par métal- Lurgie des poudres nécessitent souvent un usinage constituant l'une des étapes de finition pour obtenir le produit obtenu par métal- lurgie des poudres souhaité. Lorsque le produit obtenu par métal- lurgie des poudres est un produit fabriqué en grande série (pour lequel le procédé de métallurgie des poudres est tout à fait approprié), la vitesse et l'efficacité avec lesquelles ces produits de métallurgie des poudres peuvent être fabriqués dépendent en partie de La vitesse et de l'efficacité de l'étape d'usinage. La vitesse et l'efficacité de l'étape d'usinage est à son tour fonction, entre autres choses, de la facilité avec laquelle le comprimé fritté obtenu par métallurgie des poudres peut être coupé par L'outil d'usinage. En général, pLus le comprimé fritté obtenu par métallurgie des poudres est difficile à couper, plus importante est l'énergie nécessaire pour l'outil de coupe, plus courte est la durée de vie de l'outil de coupe et plus longue est la durée nécessaire pour achever l'étape d'usinage. L'un des procédés destinés à augmenter la vitesse et L'efficacité de l'étape d'usinage consiste à fabriquer un comprimé fritté obtenu par métallurgie des poudres qui présente un faible coefficient de frottement à l'interface de l'outil de coupe et du comprimé, et qui possède des propriétés améliorées de formation de copeaux. Ceci peut être réalisé en mélangeant la poudre à base de fer avec un agent réducteur de frottement tel que le sulfure de manganèse ou le nitrure de bore; cependant, ces agents connus pour les poudres à base de fer, bien qu'ils soient efficaces, nécessitent des améliorations. Par exemple, tandis que tous les agents sont mélangés avec la poudre à base de fer avant le frittage, certains d'entre eux affectent de façon défavorable les modifications dimensionnelles qui sont subies par le comprimé au cours du frittage, ou bien réduisent en général les propriétés de résistance du comprimé fritté, ou encore exercent ces deux effets. Un effet significatif sur les modifications dimensionnelles peut obliger le fabricant de pièces obtenues par métallurgie des poudres à changer de mouLe, ce qui représente une étape coûteuse que l'on doit éviter dans La mesure du possible. En général, une réduction significative des propriétés de résistance du comprimé fritté entraîne une réduction de son utilité finale. Ces effets indési- rables sont fonction, au moins en partie, de la nature et de La quantité d'agent réellement ajouté à La poudre à base de fer, de sorte que l'identification d'agents susceptibles de produire les effets souhaités mais à des niveaux d'addition et à des coûts inférieurs constitue un objectif constant de la recherche dans le domaine de la métallurgie des poudres. Afin d'atteindre cet objectif, la présente invention propose un mélange usinable de poudres à base de fer caractérisé en ce qu'il est préparé à partir: A. d'au moins environ 85 X en poids d'une poudre à base de fer ayant une taille maximale de particules inférieure à environ 300 pm, et B. d'au moins environ 0,01 % en poids d'une poudre de nitrure de bore comprenant des agglomérats de particules de forme irrégu- lière et de taille inférieure ou égale à 1 pm. Les comprimés frittés obtenus par métallurgie des poudres et préparés à partir de ce mélange de poudres à base de fer présentent une usinabilité améliorée. En outre, l'agent réducteur de frottement constitué par le nitrure de bore exerce un effet minimal à la fois sur la résistance du comprimé fritté obtenu par métallurgie des poudres et sur les modifications dimensionnelles subies par le comprimé au cours du frittage. Dans la composition selon la présente invention, on peut utiliser une poudre à base de fer quelconque ayant une taille maximale de particules inférieure à environ 300 pm. Les poudres de fer Atomet fabriquées par Quebec Metal Powders Limited de Tracy, Quebec, Canada, sont des exemples typiques de poudres de fer. Ces poudres ont une teneur en fer supérieure à 99 X en poids et con- tiennent moins de 0,2 % en poids d'oxygène et de 0,1 Z en poids de carbone. De façon typique, les poudres de fer Atomet ont une densité apparente d'au moins 2,50 g/cm3 et une durée d'écoulement inférieure à 30 s pour 50 g. Tandis que le nitrure de bore selon la présente invention s'est révélé étre plus efficace dans les poudres de fer Atomet, il est possible d'utiliser également des poudres d'acier, y compris des poudres d'acier inoxydable et d'acier allié, comme poudres à base de fer pour les mélanges de cette invention, et les poudres d'acier Atomet 1 001, 4 201 et 4 601 constituent des exemples représentatifs de poudres d'acier et d'acier allié. Ces poudres Atomet contiennent plus de 97 Z en poids de fer et ont une densité apparente de 2,85 à 3,05 g/cm3 et une durée d'écou- lement de 24 à 28 s pour 50 g. La poudre d'acier Atomet 1 001 contient pLus de 99 Z en poids de fer, tandis que les poudres d'acier Atomet 4 201 et 4 601 contiennent chacune 0,55 % en poids de molybdène et 0,5 et 1,8 % en poids de nickel, respectivement. On peut utiliser une qualité quelconque de poudre d'acier. De préfé- rence, la poudre à base de fer a une taille maximale de particules inférieure à environ 212 jpm. La poudre de nitrure de bore utilisée dans cette inven- tion comprend des particules de forme irrégulière ayant une taille moyenne d'au moins environ 0,05 pm, de préférence d'au moins environ 0,1 pm. Telle qu'elle est utilisée ici, l'expression "particules de forme irrégulière" concerne non seulement des parti- cules telles que celles décrites dans la figure 2(f) à la page 32 de l'ouvrage Encyclopedia of Chenmical Technology de Kirk-Othmer, 3ème édition, volume 19, mais également des particules telles que celles décrites dans les figures 2(c), (d), (e), (g) et (h) de la même référence. Tandis que les particules elles-mêmes ont une taille inférieure ou égale à 1 pm, elles ont tendance à se lier tes unes aux autres pour former des agglomérats dont la taille est comprise entre environ 5 pm et environ 50 pm. Bien que l'on ne le sache pas avec certitude, on suppose que ces agglomérats se disloquent lorsqu'ils sont mélangés aux particules de fer, et que les particules de taille inférieure ou égale à 1 pm se rassemblent ensuite à l'intérieur ou à proximité des pores ou des fissures des particules de fer. Cette Localisation des particules de nitrure de bore sur les particules à base de fer est supposée minimiser l'effet du nitrure de bore sur les particules de fer au cours du processus de frittage de sorte que le nitrure de bore n'a pas d'influence sur la résistance mécanique du comprimé obtenu par métallurgie des poudres qui a subi le processus de frittage. On s'attend à un effet semblable de l'addition de particules de nitrure de bore de taille inférieure ou égale à 1 pm non agglomérées. La taille moyenne préférée des particules de nitrure de bore utilisées dans cette invention est comprise entre environ 0,2 et environ 1,0 pm. Le nitrure de bore lui-même est un matériau relativement inerte qui est immiscible avec Le fer et L'acier aux températures inférieures à 1 400 C et qui ne réagit sensiblement pas avec le carbone à des températures inférieures à 1 700 C. Cependant, l'hygroscopicité associée en général au nitrure de bore est due en grande partie à la présence d'anhydride borique qui est un sous- produit du procédé de fabrication du nitrure de bore. Etant donné que la durée de vie au stockage du méLange de poudres à base de fer dépend en partie de la quantité d'eau qui est absorbée entre le moment o le mélange est formé et le moment o il est utilisé pour préparer un comprimé fritté obtenu par métallurgie des poudres, la quantité d'anhydride borique présente dans le nitrure de bore utilisé pour obtenir les mélanges selon cette invention est de façon typique inférieure à environ 5 Z en poids (sur la base du poids total du nitrure de bore), et de préférence inférieure à environ 3 Z en poids. Les mélanges de poudres à base de fer selon cette inven- tion sont préparés en mélangeant au moins environ 0,01 %, de préfé- rence au moins environ 0,02 % en poids de poudre de nitrure de bore avec au moins 85 %, de préférence au moins 90 % en poids, d'une poudre à base de fer. De préférence, on mélange d'environ 0,01 à 0,10 Z en poids, et de préférence encore de 0,03 à 0,07 % en poids de poudre de nitrure de bore avec la poudre à base de fer. On effectue l'opération de méLange de telle façon que le mélange de poudres à base de fer et de nitrure de bore obtenu soit sensible- ment homogène. On peut utiliser toute forme de mélange, un mélange mécanique classique constituant la forme la plus typique. Le méLange de poudres à base de fer selon cette invention peut contenir d'autres produits en addition à la poudre à base de fer et à la poudre de nitrure de bore. Des Liants tels que le poly- éthylèneglycol, le polypropyLèneglycol, le kérosène et analogues peuvent également être présents, de même que des poudres d'alliage telles que le graphite, le cuivre et/ou le nickel. Ces produits, leur utilisation et les procédés pour Les introduire dans des mélanges de poudres à base de fer sont bien connus dans la technique. La présente invention permet d'obtenir des comprimés frittés obtenus par métallurgie des poudres présentant des caracté- ristiques d'usinabilité améliorées. Ces comprimés sont plus faciles à usiner que les comprimés obtenus à partir de compositions de poudres à base de fer qui ne contiennent pas la poudre de nitrure de bore décrite ici, et de ce fait l'étape d'usinage du procédé par métallurgie des poudres présente une efficacité plus grande. Cette caractéristique avantageuse est réalisée sans effet négatif signi- ficatif sur les propriétés du mélange de poudres à base de fer fritté. Les exemples suivants illustrent de façon non limitative des modes de réalisation de la présente invention. On a utilisé une poudre de fer AtometR 28 pour étudier l'effet d'additions d'agents réducteurs de frottement sur les propriétés de frittage des comprimés obtenus par métallurgie des poudres et sur la résistance et l'usinabilité des comprimés frittés obtenus par métallurgie des poudres. La poudre de fer Atomet a28 contient plus de 99 Z en poids de fer et environ 0,18 X en poids d'oxygène et 0,07 % en poids de carbone. Elle a une densité apparente d'environ 2,85 g/cm3 et une durée d'écoulement d'environ 26 s pour 50 g. Son analyse granulométrique est la suivante: Refus/passant sur différents Taille des particules tamis mm (mesh U.S)* % en poids supérieure à 0,254 refus à 100 5 de 0,254 à 0,181 passant à 100 refus à 140 28 de 0,181 à 0,127 passant à 140 refus à 200 23 de 0,127 à 0,078 passant à 200 refus à 325 24 inférieure à 0,078 passant à 325 20 * nombre de mailles/25,4 mm (1 pouce). Le sulfure de manganèse (MnS) utilisé comme agent réduc- teur de frottement dans ces exemples comprenait des particules non agglomérées ayant une taille moyenne de particules d'environ 5 pim. On a utilisé également en tant qu'agent réducteur de frottement trois qualités de nitrure de bore (BN). La première qualité (BN-I) comprenait des agglomérats de 5 à 10 pm constitués par des particules sous forme de plaquettes ayant une taille moyenne de 0,5 à 1 pm. Cette qualité de nitrure de bore contenait également entre environ 0,2 et environ 0,4 % en poids d'anhydride borique. La seconde qualité (BN-II) comprenait des particules sous forme de plaquettes non agglomérées de 5 à 15 pm, et contenait au maximum environ 0,5 Z en poids d'anhydride borique. La troisième qualité (BN-III), de même que la première qualité, comprenait aussi des agglomérats de 5 à 30 pm de parti- cules ayant une taille moyenne de 0,05 à 1 pm, mais ces particules avaient une forme irrégulière, c'est-à-dire qu'elles n'étaient pas sous forme de plaquettes contrairement à la première qualité. La teneur en anhydride borique de la qualité BN-III était comprise entre environ 0,5 et environ 3 Z en poids. La poudre de fer Atomet a28 a tout d'abord été mélangée avec environ 0,5 % en poids de stearate de zinc (lubrifiant) et différentes quantités de graphite comprises entre O et 0,9 Z en poids. On a ensuite ajouté différentes quantités d'agent réducteur de frottement à des portions du mélange que l'on a ensuite mélangé mécaniquement pour former un mélange sensiblement homogène (à 5 X du niveau d'addition). Des éprouvettes ont été comprimées à 6,7 g/cm3 puis frittées pendant 30 min à 1 120 C dans une atmosphère endothermique riche. Les propriétés à l'état fritté ont été mesurées sur des barres pour rupture transversale standard selon les méthodes d'essai de la fédération des industries des poudres métalliques. Les valeurs reportées dans le tableau sont des moyennes d'au moins trois mesures. On a évalué l'usinabilité à l'aide de l'essai de force de poussée au forage. Des forets hélicoidaux en acier d'usage général ont été insérés dans la tête rotative d'un tour industriel et introduits dans les échantillons montés sur un dynamomètre. Les forces de poussée ont été mesurées sur des éprouvettes mesurant 31,8 mm x 12,7 mm x 12,7 mm comprimées et frittées selon les modes / 2638381 opératoires décrits ci-dessus. Deux trous de 6,4 mm de diamètre et de 10 mm de profondeur ont été percés dans chaque échantillon. On n'a utilisé aucun réfrigérant au cours de l'opération de forage et on a fixé à 40 mm/min la vitesse de pénétration et à 800 t/min la vitesse du foret pour tous les essais. Les forces de poussée ont été mesurées par le dynamomètre et enregistrées sur un traceur à haute vitesse. La force de poussée a été utilisée comme indice d'usinabilité des pièces frittées et plus La force de poussée était faible, meilleure était l'usinabilité (plus longue durée de vie de l'outil de coupe, besoins moins importants en énergie pour l'outil de coupe, et durée nécessaire pour usiner le comprimé fritté plus courte). Les résultats de ces essais sont regroupés dans le tableau et montrent que l'addition de L'un quelconque des agents réducteurs de frottement décrits a un effet positif sur la réduc- tion de la force de poussée. Cependant, la quantité d'agent nécessaire pour obtenir un niveau donné quelconque de réduction de force de poussée varie selon l'agent, et l'effet négatif sur la résistance, les modifications dimensionnelles et la dureté du com- primé varient également avec l'agent et la quantité d'agent utilisée. Par exemple, une quantité de 0,5 Z en poids de MnS produit une réduction de 10 Z de la force de poussée pour un com- primé obtenu à partir d'un mélange contenant 0,9 Z en poids de graphite, mais cette quantité réduit également sa résistance à la rupture transversale (de 15 %), et sa dureté (de 77 à 74), et a provoqué des modifications dimensionnelles plus importantes (+ 0,1). On a obtenu des résultats meilleurs en utilisant des quantités significativement inférieures de BN-I et BN-II. Ces deux agents ont réduit la force de poussée d'au moins 17 Z tout en réduisant la résistance à la rupture transversale et la dureté dans une mesure moindre que MnS au niveau d'addition de 0,5 Z en poids ou dans une mesure équivalente à l'addition de MnS. L'utilisation de BN-I et II à ces niveaux d'addition inférieurs (0,1, 0,2 et 0,3 X en poids) a conduit également à des modifications dimension- nelles moins importantes. L'utilisation de BN-III (qui constitue un mode de réali- sation de cette invention) conduit à une réduction très positive de la force de poussée (23 %) à un niveau d'addition (0,05 %) corres- pondant approximativement à un ordre de grandeur inférieur au niveau nécessaire d'addition de BN-I et II pour obtenir des résul- tats semblables. En outre, la réduction de la résistance à la rupture transversale (7,1 %) et de la dureté (77 à 74) et l'effet sur les modifications dimensionnelles (+ 0,01) sont virtuellement les mêmes. On peut obtenir des réductions plus grandes de la force de poussée (61 %) en utilisant une plus grande quantité de BN-III (0,3 X en poids) mais ceci provoque une plus grande réduction de la résistance à la rupture transversale (43 %) et de la dureté (77 à 54), et un effet sur les modifications dimensionnelles (- 0,04). Cependant, ces compromis existent également pour les autres agents (comparer les niveaux 0,1 % et 0,3 X de BN-II). Ainsi, en utilisant l'agent réducteur de frottement selon cette invention (BN-III), on peut utiliser considérablement moins d'agent tout en obtenant encore les caractéristiques d'usinabilité souhaitables sans faire croître les compromis concernant la réduction de la résistance mécanique, de la dureté ou une modification dimensionnelle exagérée. Ainsi, bien que les niveaux d'addition de BN-III soient inférieurs à ceux de BN-I et BN-II, on suppose que le plus grand nombre de particules par unité de poids de BN-III est à l'origine de l'effet de rupture des copeaux plus continu et du degré plus important de lubrification observé à l'interface copeau-outil. TABLEAU EFFETS DES AGENTS REDUCTEURS DE FROTTEMENT SUR LES PROPRIETES DE COMPRIMES FRITTES EN ATOMETa 28 Niveau RédItion de d'addition Graphite ajouté RRT M.D.2 Dureté3 La force de Agent (Z en poids) (Z en poids) % Red.1 % (Z) poussée () Aucun - 0,3 - O 51 0 0,6 - O 66 0 0,9 - O 77 0 TABLEAU (suite) EFFETS DES AGENTS REDUCTEURS DE FROTTEMENT SUR LES PROPRIETES DE COMPRIMES FRITTES EN ATOMET 28 Niveau Réduction de d'addition Graphite ajouté RRT M.D.2 Dureté3 la force de Agent (% en poids) (% en poids) % Red.1 % (R) poussée (X) MnS 0,5 0,3 13 +0,10 52 23 (Témoin) 0,6 11 40,11 65 18 0,9 15 +0,10 74 10 BN-I 0,1 0,9 2,6 +0,02 76 4 (Témoin) 0,2 0,3 2,1 +0,03 51 21 0,6 0,8 +0,01 68 19 0,9 2,5 -0,01 76 17 BN-II 0,1 0,9 10,3 +0,04 77 21 (Témoin) 0,3 0,9 16,3 +0,04 73 36 BN-III 0,02 0,9 0,8 -0,01 75 3,5 (Invention) 0,05 0,3 1,9 0 46 15 0,6 1,5 -0,03 59 19 0,9 7,1 +0,01 74 23 0,1 0,6 7,1 40,03 59 30 0,9 12,3 +0,03 70 28 0,2 0,6 15 +0,04 60 47 0,9 38 0 62 46 0,3 0,9 43 -0,04 54 61 0,5 0,6 36,6 -0,10 53 61 Résistance à la rupture transversale, Z de réduction par rapport aux comprimés sans agent, 2 modification dimensionnelle, % de différence par rapport aux com- primés sans agent, 3 Rockwell B Tandis que La présente invention a été décrite en réfé- rence à des modes de réalisation particuliers, iL est évident que différentes modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Mélange usinable de poudres à base de fer, caractérisé en ce qu'il comprend: A. au moins environ 85 Z en poids d'une poudre à base de fer ayant une taille maximale de particules inférieure à environ 300 pm, et B. au moins environ 0,01 X en poids d'une poudre de nitrure de bore comprenant des agglomérats de particules de forme irrégulière et de taille inférieure ou égale à 1 pm. 2. Mélange de poudres selon La revendication 1, caractérisé en ce que la taille maximale des particuLes de la poudre à base de fer est inférieure à environ 212 pm. 3. MéLange de poudres selon la revendication 1, caractérisé en ce que la poudre à base de fer constitue au moins environ 90 Z en poids du mélange. 4. Mélange de poudres selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nitrure de bore constitue au moins environ 0,02 Z en poids du mélange. 5. Mélange de poudres selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poudre de nitrure de bore constitue entre environ 0,02 et 0,1 % en poids du mélange. 6. Mélange de poudres selon la revendication 5, caractérisé en ce que la poudre de nitrure de bore contient moins d'environ 5 Z en poids d'anhydride borique. 7. Mélange de poudres selon la revendication 5, caractérisé en ce que la poudre de nitrure de bore contient moins d'environ 3 Z en poids d'anhydride borique. 8. Mélange de poudres selon la revendication 7, caractérisé en ce que les particules de nitrure de bore de taille inférieure ou égale à 1 pm ont une taille moyenne comprise entre environ 0,05 et 1,0 pm. 9. Mélange de poudres selon la revendication 7, caractérisé en ce que les particules de nitrure de bore de taille inférieure ou égale à 1 pIm ont une taille moyenne comprise entre environ 0,1 et I pm. 10. Pièce façonnée à base de fer obtenue en comprimant le mélange de poudres selon l'une des revendications 1 à 9.