Métallurgie des Poudres : Procédé, Caractéristiques et Applications

La Métallurgie des Poudres

La métallurgie des poudres est définie comme l'art de développer des produits commerciaux à partir de poudres métalliques. Dans ce processus, la chaleur est toujours utilisée, mais elle doit être maintenue en dessous de la température de fusion des métaux. Lorsque la chaleur est appliquée dans le processus ultérieur, la métallurgie des poudres est connue sous le nom de frittage. Ce procédé d'assemblage de particules fines améliore ainsi la résistance des produits et certaines de leurs propriétés. Les pièces métalliques issues des procédés de métallurgie des poudres sont produites à partir d'un mélange de diverses poudres de métaux complémentaires dans leurs caractéristiques. Ainsi, on peut obtenir des matériaux à base de cobalt, de tungstène ou de graphite, selon l'application finale.

Le métal en poudre est plus cher que sous forme solide. Ce processus n'est recommandé que pour la production de masse de produits, car le coût global de production de pièces en poudre métallique est supérieur à celui des pièces obtenues par d'autres méthodes de fabrication. Cependant, il est justifiable et rentable grâce aux propriétés exceptionnelles obtenues avec cette procédure. Il existe des produits qui ne peuvent pas être fabriqués autrement et des tolérances inégalées sont atteintes avec cette méthode de fabrication.

Étapes Clés du Processus

1. Production de la poudre métallique utilisée pour la pièce.
2. Mélange des métaux participants.
3. Formation des pièces par pressage.
4. Frittage des pièces.
5. Traitement thermique.

Production et Caractérisation des Poudres

La taille, la forme et la distribution des poudres affectent les caractéristiques des pièces à produire. Il faut donc être attentif à la méthode de production des poudres. Les principales caractéristiques des poudres à considérer sont :

1. Forme
2. Finesse
3. Distribution des tailles de particules
4. Fluidité
5. Propriétés chimiques
6. Compressibilité
7. Densité apparente
8. Aptitude au frittage

Forme

La forme de la poudre dépend de la manière dont elle a été produite. Elle peut être sphérique, irrégulière, dendritique, plate ou angulaire.

Finesse

La finesse se rapporte à la taille des particules, mesurée par des mailles standard, qui sont composées de tamis standard, lesquelles ont entre 36 et 850 microns.

Distribution des Tailles de Particules

Elle se réfère aux quantités relatives des différentes tailles de particules participant à la composition d'une pièce. Cette distribution de taille a une grande influence sur la fluidité et la densité des particules, ainsi que sur la porosité dans le produit final.

Fluidité

C'est la propriété qui permet à la poudre de circuler facilement d'une pièce à l'autre ou dans la cavité du moule. Elle est mesurée par le temps d'écoulement à travers un orifice standard.

Propriétés Chimiques

Elles sont la réponse aux caractéristiques des différents éléments. Elles se rapportent également à la pureté de la poudre utilisée.

Compressibilité

C'est la relation entre le volume initial de la poudre utilisée et le volume final de la partie comprimée. Cette propriété varie considérablement selon la taille des particules de poudre et affecte directement la résistance des pièces.

Densité Apparente

Elle est exprimée en kilogrammes par mètre cube. Elle doit être aussi constante que possible, afin que la pièce ait une quantité de poudre uniforme dans toutes ses parties.

Aptitude au Frittage

Le frittage est l'union des particules par la chaleur. L'aptitude au frittage dépend du type de poudre utilisée, d'où l'existence de nombreuses températures de frittage selon les matériaux.

Méthodes de Production des Poudres

Tous les métaux peuvent être produits sous forme de poudre, mais tous ne possèdent pas les caractéristiques nécessaires pour être utilisées dans la fabrication de pièces. Les métaux les plus couramment utilisés pour la production de poudres destinées à la fabrication de pièces sont le cuivre et le fer. Des variantes de bronze de cuivre sont utilisées pour les roulements poreux, et le laiton pour les petites pièces de machines. On utilise également d'autres poudres comme le nickel, l'argent, le tungstène et l'aluminium.

Il existe différentes manières de produire des poudres métalliques en fonction des caractéristiques physiques et chimiques des métaux utilisés :

Usinage et Broyage

Les poudres usinées sont produites et utilisées grossièrement, surtout pour la poudre de magnésium. Dans le processus de broyage, la matière est broyée avec des éléments rotatifs, des moulins à rouleaux ou par gaufrage. Par cette méthode, les matériaux fragiles peuvent être réduits en particules irrégulières de toutes finesses.

Atomisation par Chute

Le processus d'atomisation par chute consiste à verser le métal en fusion à travers un tamis et le laisser tomber dans l'eau pour le refroidir. Dans ce processus, on obtient des particules sphériques ou en forme de poire. La plupart des métaux peuvent être traités, mais la taille des particules est souvent trop grande.

Atomisation par Pulvérisation

L'atomisation par pulvérisation consiste à projeter du métal en fusion et à le refroidir dans l'air ou l'eau. C'est une excellente méthode pour la production de poudre de presque tous les métaux à bas point de fusion, comme le plomb, l'aluminium, le zinc et l'étain.

Granulation

Certains métaux peuvent être transformés en poudre par une agitation rapide du métal alors qu'il est en cours de refroidissement. Ce processus est appelé granulation.

Électrodéposition

Un autre procédé pour la production de fer, d'argent et de certains autres métaux est l'électrodéposition. Elle consiste à immerger le métal à traiter, comme anodes, dans des cuves avec des réservoirs d'électrolyte agissant comme cathodes. Le fer ou le métal se déplace de l'anode vers la cathode et se dépose comme une poudre fine qui peut ensuite être utilisée facilement.

Poudres Spéciales

Poudres Pré-alliées

La production d'une poudre à partir d'un alliage de métaux pré-alliés améliore significativement les propriétés des pièces, par rapport à celles obtenues avec des métaux purs. Un des avantages de ce type de poudre est la nécessité de températures plus basses pour leur production, et elle permet d'obtenir des propriétés combinées similaires à celles obtenues par coulée.

Poudres Revêtues

Les poudres peuvent être revêtues de certains éléments qui passent à travers un gaz porteur. Chaque particule est uniformément revêtue. Une fois frittée, elle acquiert les propriétés du revêtement. Cela permet l'utilisation de poudres moins chères.

Conformation

La conformation consiste à compresser la poudre dans un conteneur pour lui donner la forme souhaitée de la pièce à produire. Il existe plusieurs méthodes de conformation, en voici quelques-unes :

Pressage

Les poudres sont pressées dans des moules en acier pour obtenir la forme désirée. La pression varie entre 20 et 1400 MPa. Les poudres plastiques ne nécessitent pas de pressions aussi élevées que les poudres plus dures. La plupart des presses conçues à d'autres fins peuvent être utilisées pour la production de pièces en poudre. Des presses hydrauliques peuvent être utilisées, mais il est plus courant d'utiliser les presses mécaniques en raison de leur forte capacité de production.

Compactage Centrifuge

Les moules sont remplis de poudres métalliques lourdes et ensuite centrifugés pour obtenir des pressions allant jusqu'à 3 MPa. Ce procédé permet d'obtenir un produit de densité uniforme grâce à la force centrifuge agissant sur chaque particule de poudre. Les pièces sont ensuite extraites du moule et frittées pour acquérir leur dureté finale.

Moulage par Coulée

Les pièces en tungstène, molybdène et d'autres poudres sont parfois fabriquées par compactage par coulée. Cette procédure consiste à faire une bouillie avec la poudre métallique utilisée, celle-ci est coulée dans un moule en plâtre. Comme le moule en plâtre est un matériau poreux, il draine progressivement l'eau, laissant une couche solide de matériau métallique. Après un temps suffisant pour avoir une couche assez épaisse, les pièces sont ensuite frittées normalement. Pour les objets creux, cette procédure est très utile.

Compactage par Explosifs

Comme son nom l'indique, la force nécessaire pour compacter une poudre dans son moule approprié peut être le résultat d'une explosion. La procédure est simple, mais présente des dangers et n'est pas toujours économique. De plus, son contrôle n'est pas toujours satisfaisant.

Extrusion

Pour la production de pièces longues à partir de poudres métalliques, le procédé d'extrusion est utilisé. Les méthodes utilisées pour ce processus dépendent des caractéristiques de la poudre. Certaines sont extrudées à froid avec un liant, d'autres sont chauffées à la température d'extrusion. En général, la poudre est comprimée en lingots, puis chauffée et frittée avant de les transmettre à la presse d'extrusion.

Frittage

Le frittage est le processus par lequel, lorsque la température augmente, les particules des corps solides sont reliées entre elles par des forces atomiques. En appliquant de la chaleur, les particules sont pressées pour maximiser le contact et l'efficacité des réactions de surface augmente. Au cours du processus, la plasticité des grains augmente et produit un meilleur emboîtement mécanique par la formation d'une phase liquide. Tout gaz présent interférant avec l'union est expulsé. Les températures de frittage sont inférieures à la température de fusion de la poudre principale dans le mélange utilisé.

Il existe une large gamme de températures de frittage. Les suivantes se sont avérées satisfaisantes :

• Fer : 1095 °C
• Acier inoxydable : 1180 °C
• Cuivre : 870 °C
• Carbure de tungstène : 1480 °C

Le temps de frittage varie généralement entre 20 et 40 minutes.

Avantages et Limites de la Métallurgie des Poudres

Avantages

• Production de pièces uniques : carbures frittés, roulements poreux, couches bimétalliques moulées, etc., qui ne peuvent être produits que par ce processus.
• Porosité contrôlée.
• Tolérances serrées et haute qualité de finition de surface.
• Possibilité d'obtenir des pièces de haute pureté grâce à la qualité et la pureté des poudres utilisées.
• Pas de pertes matérielles significatives.
• Moins de besoin d'opérateurs hautement qualifiés pour certaines étapes.

Limites

• Les poudres sont coûteuses et difficiles à stocker.
• Le coût de l'équipement pour la production de poudres est élevé.
• Certains produits peuvent être produits plus économiquement par d'autres procédés.
• Il est difficile de fabriquer des produits avec des motifs complexes.
• Des défis thermiques existent lors du frittage, en particulier avec des matériaux à faible point de fusion.
• Certaines poudres fines présentent un risque d'explosion (ex: aluminium, magnésium, zirconium, titane).
• Il est difficile de fabriquer des produits à haute densité uniforme.

Applications Courantes

• Filtres métalliques
• Carbures cimentés
• Engrenages et rotors de pompes
• Moteurs d'essuie-glace
• Roulements poreux
• Aimants
• Contacts électriques