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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 860 − 1 Métallurgie des poudres Généralités par Michel EUDIER Ingénieur de l’École Centrale de Paris (Mise à jour du texte de René MEYER (Péchiney Ugine Kuhlmann) paru dans le présent traité) ontrairement aux procédés de la métallurgie classique, qui font toujours intervenir la solidiﬁcation d’un métal fondu, la métallurgie des poudres part d’une poudre métallique et utilise un procédé de consolidation appelé frittage. Celui-ci peut être déﬁni comme une réaction entre particules d’une masse de poudre qui entraîne la formation d’un solide continu cohérent. Le frittage n’est pas spéciﬁque de la métallurgie des poudres, il est utilisé depuis des temps immémoriaux par les céramistes qui ont largement précédé les métallurgistes. Dans les fabrications qui sont les plus importantes en tonnage, la ﬁlière comprend trois opérations essentielles : — l’élaboration de poudres métalliques compressibles ; les poudres peuvent être des métaux purs ou des alliages, elles peuvent être mélangées entre elles ou à d’autres poudres, des non-métaux ou des composés métalliques tels que les oxydes ou les carbures ; le mélange comprend, en outre, une faible proportion d’une poudre d’un lubrifiant solide ; — la compression à froid de la poudre dans des outillages qui donne une pièce agglomérée, manipulable, de forme et de dimensions précises ; la pression uniaxiale est comprise entre 200 et 800 MPa ; — le frittage qui consiste à chauffer les comprimés à une température élevée mais nettement inférieure à la température de fusion du métal pur ou de l’alliage obtenu ; une atmosphère contrôlée et réductrice est nécessaire dans la plupart des cas. Dans cette ﬁlière, la forme et les dimensions des pièces ne varient que très peu et le matériau ﬁnal a donc une porosité résiduelle non négligeable. Exception- nellement, au cours du frittage, un retrait dimensionnel peut conduire à une poro- sité nulle. On rappelle que : 1 µg/g équivaut à 1 ppm en masse, 1 MPa = 106Pa = 106N/m2 = 1 N/mm2 = 10 bar = 0,1 hbar = 0,102 kgf/mm2. 1 Torr = 1 mmHg = 133,33 Pa. 1. Caractères et intérêt de la métallurgie des poudres ..................... M 860 - 2 2. Développement de la métallurgie des poudres............................... — 5 2.1 Répartition des productions ....................................................................... — 5 2.2 Production de masse................................................................................... — 5 2.3 Extension de la métallurgie des poudres .................................................. — 5 2.4 Procédés....................................................................................................... — 5 2.5 Matériaux à propriétés spéciales ............................................................... — 5 2.6 Matières premières...................................................................................... — 6 2.7 Matériels....................................................................................................... — 6 2.8 Évolution et emplois de la métallurgie des poudres................................ — 6 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. M 860 C MÉTALLURGIE DES POUDRES _____________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. M 860 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques 1. Caractères et intérêt de la métallurgie des poudres La ﬁgure 1 montre un certain nombre de ﬁlières de production utilisées industriellement. Elles seront étudiées en détail par la suite. Le tableau 1 illustre, par l’exemple de la fabrication de coussi- nets autolubriﬁants en bronze, la ﬁlière classique (compression à froid et frittage) de la métallurgie des poudres. Cette ﬁlière, qui est de beaucoup la plus importante en tonnage, constitue une voie ori- ginale qui permet de passer, en peu d’opérations, de la poudre métallique à la pièce ou au composant prêt à l’emploi. Elle peut être mise en parallèle avec tous les procédés habituels de mise en forme d’objets à partir de métal liquide (moulage) ou de demi-pro- duit (formage, usinage). Parmi les autres ﬁlières (frittage-compres- sion à chaud) de la ﬁgure 1, on remarque celles qui se rapprochent le plus de la métallurgie classique dont on peut les distinguer en les regroupant sous le vocable de métallurgie particulaire. Les poudres sont obtenues, soit directement à partir du minerai par réduction ou hydrométallurgie, soit par atomisation du métal liquide élaboré comme pour la coulée de lingots. Les poudres sont ensuite transformées rapidement, par laminage et frittage ou par formage direct à chaud, en demi-produits de haute qualité sans ségrégation mineure ou majeure. Comme l’indique le schéma de la ﬁgure 2, la métallurgie des poudres est l’homologue de procédés d’élaboration directe sans fusion de pièces métalliques (électroformage, métallisation), mais elle est incomparablement plus développée et d’application plus universelle. Elle n’est pas une technique isolée en métallurgie, mais elle s’associe de plus en plus aux procédés anciens d’élaboration ou de transformation des métaux, pour contribuer à créer des voies nouvelles d’obtention de matériaux métalliques. En tant que technique de production industrielle d’éléments de construction : — par son aspect mise en forme de pièces et d’éléments de machines, la métallurgie des poudres peut remplacer à la fois les pièces métalliques coulées et corroyées ou moulées ou usinées, et les pièces mécaniques en matières plastiques, dont le développe- ment n’est pas à négliger ; — par son aspect synthèse de matériaux, c’est l’un des procédés les plus puissants pour créer sur mesure des matériaux à plusieurs phases et à texture prédéterminée, en vue d’obtenir les propriétés physiques ou mécaniques requises. Enﬁn, par rapport à la métallurgie conventionnelle, il faut noter des caractéristiques générales d’importance économique considérable : — la matière première est utilisée pratiquement à 100 %, car il n’y a pas de déchets lors de chacune des étapes de la fabrication ; — la composition du matériau final est facilement ajustée lors de l’opération initiale : le mélange des poudres ; en conséquence, il n’y a pas nécessité de stocker des demi-produits de diverses compositions ; — le procédé assure l’uniformité des dimensions et des propriétés des pièces, car la compression et le frittage sont des opérations répétitives, identiques pour des séries extrêmement grandes (par exemple, plusieurs centaines de milliers de pièces lorsque l’on utilise un outillage de compression en carbure cémenté) ; — comme technique de mise en forme, la métallurgie des poudres est un procédé favorable aux grandes séries, donc intéressant les industries de consommation et celles qui recherchent la rentabilité par la standardisation des éléments de construction ; — le coût assez élevé des investissements est compensé par la simplicité des opérations et la possibilité de les rendre automatiques et peu exigeantes en main-d’œuvre. Le tableau 2 est une vue d’ensemble des compositions des maté- riaux métalliques obtenus par frittage ; il illustre bien la puissance de synthèse de cette technique industrielle. (0) (0) Tableau 1 – Opérations de la métallurgie des poudres classique Déﬁnition (1) Exemple : coussinets en bronze Métallurgie des poudres : cette technique concerne la préparation des poudres et l’obtention d’objets à partir de ces poudres en utilisant des procédés de formage et de frittage. Préparation de poudres : — cuivre électrolytique ; — étain atomisé. Poudre : ensemble de particules solides habituellement < 1 mm. Cuivre : < 150 µm Étain : < 40 µm Mélange : dispersion mutuelle de poudres ayant des compositions différentes. Mélange des poudres précédentes. Formage : toute opération transformant une poudre en un objet de forme déterminée. Compression à froid d’une bague, sous 100 MPa (1 kbar), dans une matrice. Frittage : traitement thermique de poudre ou d’un comprimé de poudre à une température infé- rieure à la température de fusion du constituant principal, dans le but d’augmenter la résistance mécanique. Traitement de 15 min à 800 oC sous gaz protecteur exothermique ; frittage avec phase liquide (Cu-Sn) et formation d’alliage. Finition : toute opération modifiant la pièce frittée. Calibrage à froid. Imprégnation d’huile. (1) D’après norme NF A 95-001 (4-1985). ____________________________________________________________________________________________________________ MÉTALLURGIE DES POUDRES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques M 860 − 3 Figure 1 – Filières de la métallurgie des poudres MÉTALLURGIE DES POUDRES _____________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. M 860 − 4 © Techniques de l’Ingénieur, traité Matériaux métalliques Figure 2 – La métallurgie des poudres dans les techniques de fabrication de pièces métalliques Tableau 2 – Produits frittés Classes de produits Compositions typiques Pièces mécaniques Fe, Fe-Cu, Fe-Ni-Cu, Fe-P, Fe-C, Fe-Cu-C, Fe-Ni-Cu-Mo-C, acier inoxydable, bronze, laiton, Ti, Al-Cu Alliages spéciaux : — aimants............................................................................................. Al-Ni-Co, SmCo5 — alliages magnétiques doux ............................................................ Fe-Ni, Fe-Si, Fe-P — alliages pour soudage au verre...................................................... Fe-Ni-Co — alliages supraconducteurs.............................................................. Nb3Sn Métaux et alliages compacts : — métaux réfractaires ......................................................................... W, Mo, Ta, Nb, Re — métaux nucléaires........................................................................... Be, Zr — superalliages.................................................................................... Alliages à base nickel, à base cobalt — aciers alliés ...................................................................................... Aciers à outils, aciers rapides Éléments poreux : — coussinets autolubrifiants .............................................................. Bronze, Fe-Cu, acier inoxydable, Al-Cu — filtres................................................................................................. Bronze, Ni, Monel, Ni-Cr, acier inoxydable, Ti, Zr, Ag, Ta Matériaux intermétalliques Ni-Al, MoSi2 , Ti-Al, Co-Mo-Si Pseudo-alliages : — métaux lourds.................................................................................. W-Ni-Cu, W-Ni-Fe — contacts et électrodes ..................................................................... W-Cu, W-Ag, Ni-Ag Matériaux composites : — métaux-durs (carbures cémentés)................................................. (W, Ti, Ta) C + Co, TiC + Ni-Mo, Cr3C2 + Ni — cermets............................................................................................. uploads/Industriel/ metallurgie-des-poudres-generalites.pdf