Brevet FR2766743A1 — publié le 19990205

OUTILLAGE DE COMPRESSION DE POUDRE POUR INSTALLATION DE FRITTAGE La présente invention concerne de manière générale les procédés de frittage et plus particulièrement un outillage de compression de poudre pour former des pièces qui sont ensuite placées dans un four de frittage. Un procédé de frittage consiste à comprimer de la poudre métallique, généralement une poudre d'acier, pour obtenir une pièce de forme définitive. La pièce comprimée, qui tient seulement par cohésion de la poudre, est ensuite passée dans un four à une température inférieure à la température de fusion, mais suffisante pour que les particules de poudre se solidarisent. Les figures 1A à 1C illustrent les principales étapes de fonctionnement d'un outillage de compression de poudre. L'outillage comprend une matrice 10 munie d'une empreinte traversante 12. L'empreinte 12 définit le profil de la pièce à obtenir, tel qu'une surface lisse, une dentelure ou autre. La matrice 10 coopère avec un poinçon supérieur 14 et un poinçon inférieur 15 destinés à pénétrer de part et d'autre de l'empreinte 12. Dans la figure 1A, l'empreinte 12 a été remplie de poudre métallique au ras de la surface supérieure de la matrice 10. Le poinçon inférieur 15 est à une position spécifique déterminant le volume de poudre nécessaire à obtenir la hauteur et la densité souhaitées de la pièce finale. Une fois que l'empreinte 12 est remplie de poudre, le poinçon supérieur 14 est abaissé. A la figure 1B, le poinçon supérieur 14 atteint une position de fin de course, déterminée par la pression appliquée sur le poinçon 14. On obtient alors une pièce 17 de forme définitive constituée de particules de poudre ayant une cohésion suffisante pour pouvoir être manipulée et acheminée jusqu'au four de frittage. A la figure 1C, le poinçon supérieur 14 est retiré tandis que le poinçon inférieur 15 est levé pour éjecter la pièce 17 de la matrice 10. La pièce est alors acheminée vers le four de frittage. Afin d'éjecter la pièce 17, au lieu de lever le poinçon 15, la matrice 10 peut être abaissée. Comme cela est illustré par les figures 1A et 1B, le volume de la poudre diminue considérablement par l'application de pression. Pour des pressions de compression courantes, de l'ordre de 700 MPa, le volume diminue d'un facteur 2,3 à 2,5. Cette diminution de volume entraîne que la poudre frotte contre les parois de l'empreinte 12 sur une longueur relativement importante et à pression élevée. Il est par conséquent nécessaire de lubrifier les parois de l'empreinte 12 pour éviter le grippage. La lubrification des parois de l'empreinte 12 étant peu pratique en production, on préfère de loin inclure le lubrifiant dans la poudre métallique. Afin que la poudre puisse s'écouler convenablement pour remplir 1 'empreinte, le lubrifiant est également sous forme de poudre. Bien entendu, la lubrification facilite également l'éjection de la pièce 17 sans l'abîmer. La proportion de lubrifiant couramment utilisée dans la poudre métallique est de 0,6 à 0,8 % du poids. Toutefois, le lubrifiant est près de huit fois moins dense que la poudre métallique, et occupe un volume incompressible qui ne pourra être remplacé par du métal lors de la compression. I1 en résulte, notamment par l'élimination du lubrifiant au frittage, que les pièces obtenues sont poreuses et ont une résistance mécanique notablement plus faible que celle du métal pur. En pratique, avec 0,8 % de lubrifiant, la densité maximale théorique que l'on pourrait obtenir après compression est 7,5 g/cm3 (la densité de l'acier étant comprise entre 7,8 et 7,9). A la pression de compression maximale utilisable (environ 700 MPa), la densité des pièces en acier obtenues ne dépasse pas 7,15, c'est-à-dire 96 i de la densité théorique. La quantité de lubrifiant ne pouvant être diminuée, on peut faire tendre la densité vers sa valeur maximale en augmentant la pression de compression. Toutefois, on s'est aperçu qu'en dépassant des pressions de 800 MPa, on détériorait rapidement l'outillage, alors que cet outillage pourrait en théorie supporter plus de 2000 MPa. Les valeurs de densité susmentionnées sont celles obtenues par un procédé de frittage simple gamme, dans lequel on effectue une seule compression de poudre, suivie d'un frittage pour obtenir la pièce finale. Pour obtenir des pièces de densité plus élevée, on a recours à un procédé double gamme, dans lequel, après compression dans les conditions mentionnées ci-dessus, la pièce subit un préfrittage destiné à vaporiser le lubrifiant de manière à libérer les pores qu'il occupe. La pièce est alors soumise, avant frittage définitif, à une deuxième compression au cours de laquelle la matière, non encore solidarisée globalement, tend à occuper les pores libérés par le lubrifiant par déformation plastique. Avec un tel procédé, on ne parvient toutefois pas à dépasser une densité de 7,5. Par ailleurs, un tel procédé est plus coûteux à mettre en oeuvre qu 'un procédé simple gamme. Il existe également un procédé de compression à chaud dans lequel la matrice est chauffée de manière à rendre plus fluide le lubrifiant qui s'échappe alors en libérant les pores. Les densités maximales obtenues sont de l'ordre de 7,4 et le procédé est également coûteux à mettre en oeuvre. Un objet de la présente invention est de prévoir un outillage de compression qui puisse supporter des pressions particulièrement élevées. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel outillage qui permette d'obtenir des pièces de densité particulièrement élevée en simple gamme et à froid. Pour d'atteindre ces objets, les inventeurs ont commencé par analyser le comportement des outillages de compression classiques. Pour éviter que la poudre ne s'échappe de la matrice et constitue d'importantes bavures en cours de compression, les jeux entre poinçons et matrice ont toujours été les plus faibles possibles. Le jeu que l'on trouve couramment dans ces outillages est de 10 à 20 pm. La figure 2 illustre de manière exagérée le jeu de l'outillage et les déformations au cours d'une compression. Les diamètres nominaux du poinçon mobile 14 et de l'empreinte 12 de la matrice sont indiqués en pointillés. En cours de compression, le poinçon 14 se déforme en tonneau. A un certain niveau de pression, le poinçon vient en contact avec la matrice sur toute sa circonférence alors qu'il est encore en mouvement. Le frottement qui en résulte s'accroit au fur et à mesure que le poinçon 14 avance vers sa position finale. Si le frottement était uniforme sur la circonférence du poinçon, l'outillage parviendrait à supporter des pressions élevées. Toutefois, en pratique, le poinçon 14 frotte toujours plus d'un côté que de 1 'autre, ce qui provoque une importante sollicitation en flexion du poinçon et même de la matrice. Les outillages de compression, qui sont choisis pour leur dureté, supportent mal une sollicitation en flexion et se détériorent prématurément si la pression dépasse 800 MPa. Bien entendu, le frottement du poinçon 14 contre la matrice 10 détériore l'état de surface de l'empreinte 12, rendant l'éjection ultérieure de la pièce 17 plus difficile et affectant l'état de surface de la pièce. Comme cela est représenté à la figure 2, la pièce 17 se déforme également en tonneau sous la compression, en repoussant les parois de l'empreinte 12. Lorsque le poinçon 14 est retiré, la pièce 17 et les parois de l'empreinte 12 conservent une sensible déformation en tonneau, rendant l'éjection de la pièce plus difficile. Cette éjection est facilitée par la présence d'une quantité suffisante de lubrifiant. Pour éviter les problèmes susmentionnés, la présente invention propose d'augmenter les jeux entre les éléments de l'outillage, notamment entre le poinçon mobile et la matrice, de manière que ces jeux ne soient pas rattrapés par les déformations des éléments au cours de la compression. La présence de jeu peut provoquer l'apparition de bavures sur les bords des pièces produites, mais de telles bavures n'affectent, la plupart du temps, que l'aspect esthétique des pièces. Bien entendu, le jeu ne doit pas être supérieur à la taille moyenne de grain de la poudre, sinon la poudre s'échapperait de la matrice en trop grande proportion au cours de la compression. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les éléments de l'outillage de compression sont agencés pour former la pièce en affleurement avec une surface de la matrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'outillage comprend un deuxième poinçon destiné à coopérer avec 1 'empreinte du côté opposé au poinçon mobile, le deuxième poinçon, au cours d'une compression, étant disposé de manière à obturer l'empreinte à proximité de la surface de la matrice, le poinçon mobile servant à éjecter la pièce en fin de compression. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les poinçons comportent des bords en saillie axiale destinés à former sur les pièces des bords en retrait pour loger des bavures. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les parois de l'empreinte sont revêtues d'un matériau à faible coefficient de frottement avec la poudre et propre à résister de manière répétée aux opérations de compression. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le revêtement est en carbone diamant amorphe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la poudre comporte moins de 0,5 % de poids de lubrifiant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la poudre comporte environ 0,3 % de poids de lubrifiant lorsque les parois de l'empreinte sont revêtues. La présente invention permet d'obtenir, par compression simple gamme à froid d'un mélange de poudres de métal et de lubrifiant, une pièce frittée ayant, après compression et avant frittage, une densité supérieure à 96 % de la densité maximale théorique du mélange de poudres. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1A à 1C, précédemment décrites, représentent un outil classique de compression de poudre métallique, à trois étapes d'une procédure de compression la figure 2, précédemment décrite, illustre de manière exagérée les déformations de l'outillage au cours d'une compression la figure 3 illustre de manière exagérée la déformation d'un outillage selon la présente invention au cours d'une compression les figures 4A et 4B représentent un outillage selon la présente invention à deux étapes d'une procédure de compression et la figure 5 représente une vue agrandie d'un bord d'une pièce obtenue par l'outillage des figures 4A et 4B. A la figure 3, les formes nominales du poinçon mobile 14 et de l'empreinte 12 de la matrice sont illustrées en pointillés. Selon l'invention, les dimensions de l'outillage sont choisies pour que le jeu entre le poinçon mobile 14 et la matrice 10 soit relativement important par rapport au jeu d'un outillage classique représenté en figure 2. Plus spécifiquement, comme cela est illustré, ce jeu est supérieur à la déformation radiale atteinte par le poinçon 14 à la pression de compression maximale souhaitée. Toutefois, ce jeu ne doit pas être supérieur à la taille moyenne de grain de la poudre constituant la pièce 17. En pratique, le jeu est choisi entre 30 et 60 um pour les poudres couramment utilisées. En choisissant un tel jeu, le poinçon et la matrice seront beaucoup moins soumis à de la flexion par rapport à la situation classique de la figure 2 et résisteront à des pressions plus élevées. Un outillage selon l'invention a été testé avec succès à plus de 1050 MPa. Par ailleurs, les zones de contact étant moins étendues et les efforts de frottement étant plus faibles, la paroi de l'empreinte 12 conserve plus longtemps un état de surface convenable. De préférence, on choisit un jeu important pour tous les éléments de l'outillage. En effet, ces éléments sont généralement prévus pour pouvoir se déplacer les uns par rapport aux autres pendant une compression, ceci pour favoriser l'uniformisation de la densité dans les pièces comprimées. Par ailleurs, on facilite ainsi le montage de l'outillage. L'existence du jeu entre poinçon et matrice provoque inévitablement la formation d'une bavure. On pourrait croire que la bavure produite par un outillage selon l'invention serait plus importante, et donc plus gênante, que celle produite par un outillage classique à faible jeu. En fait, la bavure produite par un outillage selon l'invention est plus large que celle produite par un outillage classique, mais n'est pas plus haute. Or c'est surtout la hauteur des bavures qui est gênante. Les bavures obtenues sur les pièces réalisées à l'aide d'un outillage selon l'invention pourront être traitées de manière classique. Si l'on utilise un outillage selon l'invention à pression élevée de la manière décrite en relation avec les figures 1A à 1C, la pièce 17 présentera une déformation en tonneau plus importante que dans un cas classique. Il en résulte que la pièce 17 sera plus difficile à éjecter et il faudra en conséquence plus de lubrifiant, ce qui va 1' encontre de l'augmentation de densité souhaitée. Les figures 4A à 4B illustrent une utilisation optimisée d'un outillage selon l'invention, permettant d'éviter ce problème. Le poinçon mobile est ici le poinçon inférieur 15. A titre d'exemple, le poinçon 15 est muni d'une broche ascendante 15-1 destinée à coopérer avec une ouverture du poinçon supérieur 14 pour réaliser une ouverture dans la pièce 17 à comprimer. En figure 4A, le poinçon inférieur 15 est, comme dans la figure 1A, mis à une position spécifique déterminant le volume de poudre contenue par l'empreinte 12. Cette empreinte 12 est remplie au ras de la face supérieure de la matrice 10. Ensuite, le poinçon supérieur 14 est abaissé pour obturer 1 'empreinte 12, si nécessaire en pénétrant légèrement dans 1 'empreinte. La compression s'effectue alors en haut de matrice en combinant adéquatement les mouvements des poinçons et de la matrice. A la figure 4B, le poinçon 15 a atteint sa position finale, déterminée par la pression appliquée sur ce poinçon. Comme précédemment, la compression de la pièce 17 provoque des efforts radiaux qui déforment la matrice 10. Toutefois, comme la pièce 17 se trouve en bord de matrice, les parois de l'empreinte 12 ne se déforment pas en tonneau mais, comme cela est illustré, en cône ouvert vers le haut. Cette forme conique est conservée en partie lorsque le poinçon 14 est levé, ce qui favorise considérablement l'éjection de la pièce 17 par le poinçon inférieur 15. En procédant de cette manière, la proportion de lubrifiant peut être inférieure à 0,5 % du poids. La combinaison de cette réduction de la proportion de lubrifiant et de l'augmentation de la pression de compression jusqu'à environ 1050 MPa permet d'obtenir des densités après compression entre 7,3 et 7,5. Ces densités sont comprises entre 96 et 98 % de la densité théorique qui, pour 0,5 % de lubrifiant, est de l'ordre de 7,6. On pourra utiliser encore moins de lubrifiant, de l'ordre de 0,3 %, lorsque les parois de l'empreinte 12 sont revêtues d'un matériau présentant un faible coefficient de frottement avec la poudre. Ce matériau doit résister aux contraintes répétées provoquées par les procédures de compression. Un matériau qui satisfait à ces exigences est le CDA (Carbone Diamant Amorphe ou, en anglais, Diamond Like Carbon). Les bords des poinçons, comme cela est représenté dans les figures 4A et 4B pour le poinçon inférieur 15, sont de préférence légèrement en saillie axiale afin d'atténuer les effets des bavures. La figure 5 représente une vue agrandie d'un bord de la pièce 17 obtenue avec une telle configuration. Le bord de la pièce 17 est en retrait par rapport à la face inférieure, de manière que la bavure 17-1 provoquée par le jeu soit entièrement contenue dans ce retrait. Ainsi, la bavure 17-1 n'affecte pas la fonction de la face correspondante de la pièce, si cette face n'est pas usinée ultérieurement. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme du métier. Par exemple, il n'est pas nécessaire de comprimer une pièce en bord de la matrice, comme cela est représenté dans les figures 4A et 4B, si cette pièce comporte déjà des formes en dépouille facilitant son éjection. La pièce pourra alors être formée en milieu de matrice, comme cela est représenté en figure 1B, tout en appliquant les pressions plus importantes selon l'invention, avec une quantité réduite de lubrifiant. REVENDICATIONS 1. Outillage de compression de poudre métallique pour former des pièces destinées à subir un frittage, comprenant un premier poinçon (14, 15) prévu pour comprimer de la poudre se trouvant dans une empreinte (12) d'une matrice (10), caractérisé en ce que le jeu entre le poinçon et la matrice est supérieur à la dilatation radiale du poinçon sous l'effort de compression souhaité, et inférieur à la taille moyenne du grain de la poudre. 2. Outillage de compression selon la revendication 1, caractérisé en ce que ses éléments sont agencés pour former la pièce en affleurement avec une surface de la matrice. 3. Outillage de compression selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième poinçon (15, 14) destiné à coopérer avec l'empreinte (12) du côté opposé au premier poinçon, le deuxième poinçon, au cours d'une compression, étant disposé de manière à obturer l'empreinte à proximité de la surface de la matrice, le premier poinçon servant à éjecter la pièce en fin de compression. 4. Outillage de compression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier poinçon (15) comporte des bords en saillie axiale destinés à former sur les pièces des bords en retrait pour loger des bavures. 5. Outillage de compression selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois de l'empreinte sont revêtues d'un matériau à faible coefficient de frottement avec la poudre et propre à résister de manière répétée aux opérations de compression. 6. Outillage de compression selon la revendication 5, caractérisé en ce que le revêtement est en carbone diamant amorphe. 7. Outillage de compression selon la revendication 2, caractérisé en ce que la poudre comporte moins de 0,5 % de poids de lubrifiant. 8. Outillage de compression selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la poudre comporte environ 0,3 % de poids de lubrifiant. 9. Pièce frittée réalisée par compression simple gamme à froid d'un mélange de poudres de métal et de lubrifiant, caractérisée en ce qu'elle a, après compression et avant frittage, une densité supérieure à 96 % de la densité maximale théorique du mélange de poudres.