Technique des matériaux PDF

## Technique des matériaux ### Aperçu des matériaux et des matières auxiliaires #### 5.1.1 Classification des matériaux - Pour avoir un aperçu de la diversité des matériaux, on les classe d'après leur composition ou d'après leurs propriétés communes en groupes de matériaux. - Les trois groupes pr...

## Technique des matériaux ### Aperçu des matériaux et des matières auxiliaires #### 5.1.1 Classification des matériaux - Pour avoir un aperçu de la diversité des matériaux, on les classe d'après leur composition ou d'après leurs propriétés communes en groupes de matériaux. - Les trois groupes principaux de matériaux sont les métaux, les non métaux et les matériaux composites. - On peut ensuite les classer à nouveau en sous-groupes, comme par ex. les métaux ferreux en acier et en fonte, ou bien les métaux non ferreux en métaux lourds et légers. ##### Métaux - Métaux ferreux - Aciers - Acier de construction non allié - Acier à outils - Acier d'amélioration - Fontes - Fonte, Fonte malléable - Acier coulé - Métaux non ferreux - Métaux lourds ($e$ > 5000 kg/m³) - Cuivre - Zinc - Plomb - Métaux légers ($e$ < 5000 kg/m³) - Aluminium - Magnésium - Titane - Non métaux - Matériaux artificiels - Matières plastiques - Verre - Céramique - Matériaux naturels - Pierre de granit - Graphite - Bois - Matériaux composites - Matières plastiques renforcées - Métal dur #### 5.1.2 Fabrication des matériaux - Les matériaux sont fabriqués à partir de matières premières. - Les matières premières sont tirées principalement des gisements présents dans la croûte terrestre, comme par ex. les minerais servant à élaborer les métaux ou les gisements de pétrole nécessaires à la fabrication des matières plastiques. - Les matériaux sont obtenus à partir des matières premières par transformation chimique - ils sont commercialisés sous forme de demi-produits et de produits finis. - Des pièces sont réalisées à partir de ceux-ci. - Les matériaux naturels sont tirés dirrectement de la nature. #### 5.1.3 Matières auxiliaires et énergie - Pour fabriquer les matériaux et lors de la réalisation des pièces, ainsi que pour faire fonctionner les machines, on a besoin de matières auxiliaires additionnelles et d'énergies. - On a besoin de réfrigérant-lubrifiant pour réfrigérer et lubrifier la lame de l'outil, des lubrifiants pour graisser les paliers, et de l'énergie électrique pour entraîner la machine-outil. ### Aciers et matériaux en fonte de fer #### 5.4 Aciers et matériaux en fonte de fer - On désigne du nom d'aciers les matériaux qui sont principalement composés de fer, qui comportent généralement moins de 2% de carbone, et qui contiennent encore d'autres éléments additionnels. - Les aciers sont transformés ultérieurement en produits semi-finis et finis par laminage ou étirage, parfois par coulée. - Les matériaux en fonte de fer sont également des matériaux à base de fer. - Cependant, ils contiennent plus de 2% de carbone, peuvent également contenir d'autres éléments, et sont coulés pour produire des pièces. - Les aciers et la fonte de fer peuvent voir leurs propriétés varier fortement selon le mode de production utilisé, l'alliage ou le traitement thermique subi. - Les aciers et les matériaux en fonte de fer sont les matériaux métalliques les plus généralement utilisés. #### 5.4.1 Production de la fonte de première fusion - Les aciers et les matériaux à base de fonte de fer sont produits à partir de la fonte de première fusion. - La fonte de première fusion est élaborée dans le haut-fourneau à partir du minerai. - Le haut-fourneau est rempli par couches d'un mélange de minerai de fer, de granulats de fondant et de coke. - Les granulats absorbent la gangue du minerai de fer lors de la fusion. - Le coke, dont la combustion partielle est réalisée par injection d'air chaud, fournit la chaleur de fusion aux matières qui composent la charge. - Le reste du coke réduit le minerai de fer en fer métallique puis se lie au fer pour donner la fonte. - La fonte de première fusion liquide produite se rassemble au fond du haut-fourneau. - Elle est évacuée dans des poches de coulée appelées mélangeurs. - Dans le haut-fourneau, les minerais de fer sont transformés en fonte de première fusion par réduction et carburation. #### 5.4.2 Production de l'acier #### 5.4.2.1 Affinage - En plus du fer, son élément constitutif principal, la fonte brute contient environ 4% de carbone, et des quantités indésirables ou excessives de certains éléments: silicium, manganèse, soufre et phosphore. - Lors de la transformation de l'acier à partir de fonte de 1ère fusion, il faut réduire la teneur du carbone, du manganèse et du silicium, éliminer au maximum les éléments nuisibles tels que le soufre et le phosphore. - On appelle ce processus l'affinage. - Après l'affinage, l'acier est retraité. - Les procédés d'affinage les plus importants sont le procédé par insufflation d'oxygène, le procédé combiné par insufflation d'oxygène et de gaz inerte, et le procédé de l'acier électrique. - La fonte de première fusion est transformée en acier par l'opération d'affinage: on réduit le carbone, le manganèse, le silicium aux valeurs désirées, on réduit le soufre et le phosphore au minium et on ajoute les éléments d'alliage désirées (Cr, Ni, V, Mo ...). ##### Procédé par insufflation d'oxygène - Le procédé par insufflation d'oxygène est appliqué dans un convertisseur. - Le convertisseur en position de remplissage est chargé de ferraille et de fonte de 1ère fusion liquide. - Ensuite, on le redresse, et on injecte sur la fonte de 1ère fusion de l'oxygène sous une pression de 8 à 12 bars. - Le carbone contenu dans la fonte brule au contact avec l'oxygène, la température du bain augmente et les autres impuretés sont également brulées. - On ajoute alors de la chaux. - Celle-ci forme sur la coulée un laitier liquide dans lequel elle lie les produits de combustion solides et les impuretés indésirables qui accompagnaient le fer. - Le carbone présent dans la fonte brute brûle presque entièrement lors de l'affinage pour donner du CO et du CO2, qui se dégagent sous forme de gaz. - Les éléments d'alliage requis et les agents désoxydants sont ajoutés à la fin du processus d'affinage, avant qu'on n'évacue l'acier par coulée. - Ensuite, on commence par verser l'acier dans la poche de coulée par le trou de déchargement du convertisseur, puis on évacue le laitier en le versant par le bord du convertisseur. ##### Procédé combiné par insufflation d'oxygène et de gaz inerte - Avec le procédé par insufflation d'oxygène, le jet d'oxygène qui pénètre dans le bain de fusion par le haut n'assure pas un mélange optimal. - Par ailleurs, l'utilisation de ferraille est limitée et le laitier contient beaucoup d'oxyde de fer. - Avec le procédé par insufflation combinée, on insuffle en plus dans la coulée de l'oxygène et des gaz inertes tels que l'argon et l'azote par le fond du convertisseur. - Ces gaz se mélangent mieux à la coulée en y pénétrant, ce qui permet de recycler davantage de ferraille. - Par ailleurs, l'insufflation dure moins longtemps et la perte de fer et d'éléments d'alliage est plus faible. - L'acier affiné contient moins d'inclusions dues à l'oxydation. - On peut l'utiliser pour des nuances douces d'acier, jusqu'à une teneur en carbone inférieure à 0,02%. - En raison de ces avantages, on n'utilise pratiquement plus que le procédé combiné. ##### Procédé de l'acier électrique - Le procédé de l'acier électrique est exécuté dans un four à arc électrique ou dans un four à induction. - Le four à arc électrique est principalement chargé de ferraille d'acier, et en partie de fer spongieux et de fonte de première fusion. - Par ailleurs, on ajoute encore de la chaux pour former le laitier et servir d'agent réducteur. - L'arc électrique formé entre les électrodes en graphite et la coulée produit des températures qui peuvent atteindre 3500°C. - Cela permet donc d'utiliser des éléments d'alliage qui fondent difficilement, tels que le tungstène et le molybdène. - Avec les fours à arc, on transforme de préférence la ferraille d'acier en acier (recyclage). #### 5.4.2.2 Procédés de retraitement des aciers ##### Désoxydation - Lors de la désoxydation, on ajoute du silicium ou de l'aluminium à l'acier en fusion. - Ces éléments lient l'oxygène qui se dégage lors de la solidification de la coulée. - Aucune soufflure ne survient dans l'acier en fusion, si bien que le bloc d'acier ne comporte pas de poches oxydées dues à des soufflures de gaz. - L'acier est désoxydé lorsqu'il se solidifie (se repose). - Le lingot calmé est plus homogène, c'est pourquoi la plupart des aciers sont désoxydés. ##### Dégazage sous vide - Même après la désoxydation, il subsiste dans l'acier un résidu de gaz dissous, principalement de l'hydrogène. - Ils se séparent au fil du temps, provoquent de fortes tensions et de petites criques appelées flocons dans la structure de l'acier. - Ils réduisent ainsi l'allongement et la résistance au vieillissement. - Le transvasement de l'acier liquide dans un récipient sous vide fait s'échapper les gaz presque complètement de la coulée, ce qui permet de les évacuer par aspiration. ##### Traitement par gaz de circulation - On injecte depuis le fond un gaz de circulation (argon) qui traverse la coulée. - Il se mélange à celle-ci et, ce faisant, emporte les impuretés à la surface. - Le traitement par gaz de circulation à l'argon peut remplacer ou compléter le traitement sous vide. ##### Procédé de refusion - Le procédé de refusion sert en particulier à fabriquer les aciers surfins purs. - Avec le procédé de l'électrode consommable le bloc d'acier surfin fabriqué selon le procédé de l'acier électrique trempe en tant qu'électrode fusible dans le laitier liquide d'une lingotière. - La chaleur de fusion nécessaire se dégage lorsque le courant traverse le bain de laitier, qui fait office de résistance électrique. - L'acier fondu goutte à travers le laitier qui le nettoie, et il se solidifie dans la lingotière en cuivre refroidie à l'eau pour former le bloc refondu, dont la composition est d'une pureté et d'une homogénéité extrêmes. - Les procédés de retraitement permettent d'améliorer la qualité de l'acier par élimination des impuretés. #### 5.4.6 Formes commerciales des aciers - L'acier en fusion est moulé par coulée continue en brames qui sont façonnées par laminage, extrusion et étirage, pour obtenir différents produits en acier destinés au commerce. - Les produits en acier les plus répandus sont les profilés en acier, les aciers en barres, les tubes et les profilés creux, les tôles et les rubans, ainsi que les fils. - On les désigne par des noms abrégés normalisés. #### 5.4.8 Production des matériaux en fonte de fer - Les matières de départ qui servent à fabriquer les matériaux en fonte de fer sont la fonte brute de fonderie, la ferraille d'acier et de fonte, ainsi que les déchets de fonderie comme les descentes de coulée et les masse-lottes. - A ces matériaux s'ajoutent des éléments d'alliage revêtant la forme de ferro-alliages. - Les ferro-alliages sont des alliages composés de fer et d'un métal d'alliage en proportion élevée. - Pour fabriquer les matériaux en fonte de fer, les matières métalliques de départ sont fondues au four. - En fonction du type de fonte de fer et de l'énergie calorifique utilisée, on utilise des types de fours différents. ##### Les cubilots - Le cubilot, également dénommé four de deuxième fusion, est l'équipement de fonte le plus répandu pour les matériaux en fonte de fer, principalement pour la fonte de fer à graphite lamellaire. - Les charges du cubilot sont: - fonte brute de fonderie, ferraille, matériel de recyclage et ferro-alliages - coke comme moyen de chauffage et agent carburant - fondants formant des scories (pierre à chaux) - Le cubilot ressemble à un petit haut fourneau et l'intérieur est revêtu de briques réfractaires. - L'air de combustion, le «vent», est insufflé dans la partie inférieure par des tuyères, et il provoque la combustion du coke. - Les gaz de combustion chauds qui montent échauffent la charge qui descend. - Juste au dessus des tuyères la température est maximale, la fonte fond et s'égoutte dans le creuset. - La fonte liquide s'écoule du cubilot dans un avant-creuset qui sert de récipient collecteur. - Un déversoir à siphon permet de séparer la fonte de fer du laitier plus léger. ##### Les cubilots à vent chaud - Ce procédé permet d'obtenir des températures du four plus élevées et des débits plus importants. ##### Four à induction - Ce four est utilisé tant pour la fusion que pour le maintien au chaud des coulées de fonte de fer. - Les fours à induction se composent d'un creuset réfractaire autour duquel est disposée une bobine de cuivre refroidie à l'eau. - Cette bobine est parcourue par un courant alternatif, et elle induit dans la charge du creuset un champ électromagnétique alternatif qui fait fondre la charge. - De plus, ce champ alternatif produit un brassage qui distribue les éléments d'alliage de manière uniforme. ##### Fours à arc - Pour la fusion des matériaux en fonte de fer, on utilise les mêmes fours à arc que ceux qui servent à la fusion de l'acier. ##### Procédé duplex - Avec le procédé duplex, la fonte de fer fondue dans le cubilot est transvasée dans le four à induction avant la coulée, et elle y est alliée. ### Métaux non ferreux #### 5.5 Métaux non ferreux - On désigne du nom de métaux non ferreux tous les autres métaux purs et les alliages de ceux-ci. - En fonction de leur masse volumique, on les classe en métaux légers et en métaux lourds. - Les métaux non ferreux purs sont doux et ne peuvent être utilisés comme matériau de construction. - Les éléments d'alliage permettent d'améliorer leur résistance de sorte à les rendre polyvalents. - En fonction de leur mode de fabrication, les métaux non ferreux sont classés en alliages corroyés et en alliages de fonderie. #### 5.5.1 Métaux légers - Les métaux légers les plus importants sont l'aluminium, le magnésium et le titane. - Leur faible poids et leur bonne résistance permettent aux alliages de métaux légers d'acquérir une importance croissante, principalement dans la construction des véhicules. #### 5.5.1.1 Matériaux en aluminium - Propriétés de l'aluminium - Masse volumique: environ 2,7 kg/dm³ (≈ 1/3 de la densité de l'acier) - Faible point de fusion: ≈ 660°C - Bonne aptitude au façonnage, au soudage, au coulage - Résistance aux intempéries et à la corrosion ##### Alliages de corroyage en aluminium - Les alliages de corroyage en aluminium sont alliés avec du Mg, Mn, Si, Zn ou du Cu ainsi qu'avec des combinaisons de ces métaux. - Ils ont la légèreté de l'aluminium et approximativement la résistance des aciers de construction non alliés: Résistance à la traction Rm = 200... 450 N/mm². - Les alliages d'aluminium contenant du Mg et du Mn ont une résistance moyenne et peuvent être durcis par écrouissage. - A partir d'eux, on fabrique des pièces de véhicule pour charge moyenne à élevée, telles que les jantes de voiture. - Exemple: EN AW-5754 [AI Mg3]: L'alliage en aluminium ayant 3% de Mg, une résistance à la traction Rm: jusqu'à 300N/mm². - Les alliage d'aluminium de corroyage à durcissement structural contiennent des proportions de Mg et Si, Zn et Mg ou Cu et Mg. - Ils sont durcis après leur avoir conféré une forme. - Ils sont utilisés pour des pièces fortement sollicitées. - Exemple: EN AW-2024 [Al Cu4Mg1]: Alliage d'aluminium pour durcissement structural avec 4% de Cu et 1% de Mg, résistance à la traction Rm: jusqu'à 425 N/mm². - Les alliages de décolletage à l'aluminium contiennent du plomb en plus des autres éléments d'alliage. - Ils produisent des copeaux courts et sont donc bien adaptés aux composants usinés par enlèvement de copeaux. - Exemple : EN AW-2030 [AI CuPbMg] ##### Alliages de fonte d'aluminium - En construction mécanique, l'alliage de fonte d'aluminium est principalement utilisé avec 12% de silicium: EN AC-44200 [AISi12]. - Il se prête bien à la coulée, a une résistance à la traction moyenne (Rm jusqu'à 170 N/mm²) et résiste à la corrosion. - A partir des alliages de fonte d'AlSi12, on fabrique des composants à parois minces de forme complexe, qui doivent avoir un poids faible: boîtier de l'appareil, pieces nodales de carrosserie, blocs moteurs de voiture. ##### Durcissement structural des alliages d'aluminium - Le durcissement structural se compose d'un recuit de mise en solution à environ 500°C, d'une maturation par trempe effectuée dans l'eau, et d'un durcissement par précipitation. - Le durcissement structural des alliages d'aluminum permet d'aboutir à un net accroissement de la résistance. - La résistance définitive s'obtient soit après revenu soit après plusieurs jours de vieillissement à température ambiante. - Les alliages d'aluminium à durcissement structural sont utilisés pour la construction de châssis de véhicules, les pièces de structure d'avion et les coques de bateaux. ##### Désignation des alliages d'aluminium - Les matériaux en aluminium sont désignés selon DIN EN 573 au moyen d'une désignation symbolique ou numérique. - La désignation se compose, pour les alliages corroyés, des lettres EN AW-Al et, pour les alliages de fonderie, de EN AC-Al. - Ensuite suivent les symboles des éléments d'alliage et parfois les teneurs en pourcentages. - Pour finir, on peut encore indiquer les états de livraison. ##### 5.5.1.2 Matériaux à base de magnésium - Les matériaux à base de magnésium ont une propriété particulière: leur faible masse volumique comprise entre 1,8 et 2,0 kg/dm³. - Il s'agit donc du matériau métallique présentant la plus faible masse volumique (environ 1¼ de celle de l'acier). - Par leur aspect et leur résistance, à la corrosion comprise, les matériaux à base de magnésium sont comparables à ceux à base d'aluminium. - Ce sont principalement les fontes alliées au Mg telles que par exemple EN MC-21110 [MgAl8Zn1] qui sont utilisées. - Elles servent à fabriquer des carters pour transmissions, moteurs, machines et des boîtiers d'ordinateurs portables. - Les fontes alliées au magnésium sont essentiellement coulées sous pression puis usinées par enlèvement de copeaux. - Lors des travaux par enlèvement de copeaux des composants en matériaux à base de Mg, ces derniers risquent de s'enflammer. - Pour cette raison, il faut prendre des mesures de protection. - Les départs de feu ne doivent pas être combattus avec de l'eau mais avec des extincteurs de la classe incendie D. ##### 5.5.1.3 Matériaux à base de titane - Les matériaux à base de titane présentent une masse volumique d'environ 4,5 kg/dm³, ils sont donc 40% plus légers que l'acier. - Ils offrent une résistance, une ténacité et une résistance à la corrosion élevées. - Cependant, le titane est un matériau coûteux. - Le titane non allié, le Ti1, est utilisé par ex. dans le domaine médical sous forme de prothèse de hanche, etc. - Les matériaux alliés à base de titane, dont par exemple le TiAl6V4, offrent la même résistance que les aciers de traitement alliés: Rm jusqu'à 1000 N/mm². - Ils servent à fabriquer des composants aviation devant résister à de hautes contraintes. #### 5.5.2 Métaux lourds - Les principaux métaux lourds qui sont utilisés en construction mécanique pour fabriquer des composants sont le cuivre, l'étain, le zinc, le nickel et leurs alliages. - D'autres métaux lourds comme par ex. le chrome, le nickel et le vanadium, sont utilisée en tant qu'éléments d'alliage dans les aciers. #### 5.5.2.1 Désignation symbolique des métaux lourds - Les désignations symboliques des métaux lourds se composent du symbole chimique du métal de base, suivi des symboles des éléments d'alliage et des indications de teneur en pourcentage. - Pour les matériaux de fonderie, on peut indiquer en premier le type de fonte, par ex. G pour la fonte coulée en sable, GD pour la fonte coulée sous pression, etc. - On peut faire figurer à la suite des indications de résistance, comme par ex. R420, c'est-à-dire une résistance à la rupture par traction de 420 N/mm². - Pour les matériaux en cuivre non alliés, il y a des désignations spéciales. - Exemple: Cu-DHP-R220. - Les alliages de cuivre de corroyage sont aussi dénommés par une désignation numérique (numéro de matière). - Ce nom se compose des lettres CW et d'un numéro de matière. - Une lettre indiquant le groupe d'alliage peut être ajoutée. #### 5.5.2.2 Cuivre et alliages au cuivre ##### Cuivre non allié - Propriétés et utilisation - Le cuivre est un métal de couleur rouge, d'une masse volumique de 8,94 kg/dm³ et présentant une température de fusion de 1083 °C. - À l'état laminé à chaud, le cuivre non allié est malléable et facile à allonger. - Le martelage ou la compression (écrouissage) le rend dur. - Un recuit lui redonne sa malléabilité. - Le cuivre offre une haute conductivité thermique et électrique. - Il est utilisé dans les lignes électriques et les tubes de radiateurs et d'échangeurs thermiques destinés à la construction d'installations. - En construction d'installations, les variétés de cuivre pouvant être soudées ou recevoir un brasage fort, comme le Cu-DPH, sont importantes. - La variété de cuivre utilisée dans les lignes électriques est le Cu-ETP. ##### Alliages cuivre-zinc (laiton) - Propriétés et utilisation - Les alliages CuZn contiennent de 5 à 40% de zinc. - Ils résistent à la corrosion et ont une surface apte au glissement. - Lorsque la teneur en Zn est faible, ils sont malléables et se prêtent bien à la mise en forme par déformation; lorsque la teneur en Zn est élevée, ils sont plus durs. - L'écrouissage permet de porter leur résistance à la rupture par traction de 250 N/mm² à env. 600 N/mm². - Les alliages CuZn se prêtent bien à la mise en forme par déformation, au coulage et à l'usinage par enlèvement de copeaux. - On les utilise pour fabriquer des pièces de robinetterie, des vis inoxydables. - de petites pièces tournées. - Vous obtiendrez aussi ici quelques autres éléments d'alliage, en plus du zinc. - Exemple: CuZn36Pb3 Alliage de corroyage cuivre-zinc-plomb avec 36% de Zn et 3% de plomb, laiton de décolletage. ##### Alliages cuivre-étain (bronze ordinaire) - Les alliages CuSn contiennent 2% à 15% d'étain et présentent une couleur marron or. - Ils sont résistants à la corrosion, et ils ont un degré élevé de résistance à la rupture par traction, de résistance à l'usure, de bonnes propriétés de glissement. - En augmentant la teneur en étain, on accroît la résistance mécanique et la résistance à l'usure. - Par écrouissage (par ex. laminage), on peut les durcir jusqu'à leur conférer une «élasticité de ressort», ce qui les dote d'une résistance à la rupture par traction de 750 N/mm². - Avec les alliages CuSn, on obtient par usinage des roues hélicoïdales, des écrous de broches, des ressorts de contact, des glissières et des éléments de guidage ainsi que des coquilles de coussinets. - Exemples d'alliages de cuivre et d'étain: - CuSn8P: Alliage de corroyage ayant de très bonnes propriétés de glissement et un degré élevé de résistance à l'usure, par ex. pour les paliers lisses qui supportent des sollicitations élevées dans les moteurs. - G-CuSn12Pb Alliage de fonderie avec du plomb, très résistant à l'usure, avec propriétés de fonctionnement exceptionnel en cas problème de lubrification, par ex. pour les coquilles des paliers lisses. ##### Alliages cuivre-étain-zinc de fonderie - Ces alliages CuAl, dénommés laiton rouge, se prêtent bien au coulage, sont résistants à la corrosion, s'usinent bien par enlèvement de copeaux et ont de bonnes propriétés de glissement. - On les transforme par ex. en carters de robinetterie et de pompes. - Exemple: G-CuSn6Zn4Pb2 ##### Alliages de cuivre et d'aluminium (bronze à l'alu) - Ces alliages se distinguent par leur degré élevé de résistance, de ténacité et de résistance à la corrosion, en particulier de l'eau de mer. - On les utilise de préférence dans les constructions navales, ainsi que pour les pièces d'installations qui acheminent l'eau de mer, et pour la construction d'installations chimiques. - Exemples: - CuAl7Si2: Alliage résistant à l'eau de mer pour éléments de navires - CuAl10Fe3Mn2: Alliage de corroyage résistant à la corrosion et à l'usure, par ex. pour roues hélicoïdales et sièges de soupapes. ##### Alliages cuivre-nickel - Les alliages de cuivre et de nickel (teinte argentée) sont écrouis, leur conductibilité électrique est bonne. - Leur surface a un aspect similaire à l'argent. - Ils sont usinés, par ex. pour réaliser des contacts électriques à ressorts, des clefs, des compas, de la robinetterie pour l'eau, des revêtements pour appareillages et les pièces de monnaie. - Exemple: - CuNi9Sn2: Contacts électriques à ressort - Une particularité est constituée par l'alliage CuNi44, également dénommé constantan. - Il a une résistance électrique qui varie très peu en fonction de la température, et on le transforme en résistances électriques. ### Matériaux frittés #### 5.6 Matériaux frittés - Les matériaux frittés sont fabriqués à partir de poudres métalliques produites dans un processus de fabrication en plusieurs étapes en pressant des ébauches et en les frittant dans un second temps. - On appelle cette technique de fabrication métallurgie des poudres, à cause des matières de départ, ou technique de frittage, en raison du procédé de fabrication. - Contrairement à cela, la production des composants métalliques a habituellement lieu en coulant le bain de métal dans un moule ou en extrudant un boudin qui sera ensuite laminé. #### 5.6.1 Fabrication de pièces frittées de métaux - La fabrication de pièces frittées se fait en plusieurs étapes. - Mélange de poudres: Soit les poudres ont la composition souhaitée, soit le mélange de poudre souhaité est produit en mélangeant différentes poudres métalliques. - Pour faciliter le compactage lors du pressage ultérieur, on ajoute à la poudre des agents lubrifiants. - Pressage: Dans l'outil de pressage, une quantité dosée de poudre est soumise à des pressions atteignant 6000 bars pour obtenir des ébauches. - Ce processus déforme les poudres, provoque l'agrandissement des surfaces de contact et l'espace poreux se réduit. - L'ébauche pressée possède de faibles propriétés mécaniques, les poudres ne tiennent ensemble que par adhésion et frottement. - Frittage: La résistance finale est conférée aux ébauches par le frittage, au cours du passage à travers un four de frittage. - Dans ce processus, les ébauches sont chauffées à une température inférieure d'environ 25% à la température de fusion du matériau fritté, par ex. pour l'acier fritté de 1000°C à 1300°C. - Lors de la température de frittage, les particules de poudre adjacentes se soudent, les zones de liaison entre les grains deviennent de plus en plus grosses et il se forme la texture de la pièce frittée compacte. - Le frittage est un procédé de recuit pour les ébauches de poudres métalliques comprimées, au cours duquel une pièce frittée se forme avec une structure de grains soudés par diffusion et recristallisation. - Si nécessaire, divers traitements permettent d'améliorer certaines propriétées des pièces frittées. - Avec la calibration on applique une grande pression à température ambiante, on obtient une grande précision dimensionnelle et une très bonne qualité des surfaces. - Par le frittage-forgeage à la température de forgeage, se forme un autre compactage des pièces frittées. - Ce faisant, elles sont plus compactes, ont une forme plus précise et des valeurs de résistance élevées. - Les pièces frittées forgées peuvent ensuite être durcies ou améliorées par trempe et revenu pour améliorer encore les valeurs de résistance. - Par imprégnation sous pression, les pores des paliers lisses frittés poreux sont remplis d'un lubrifiant liquide. - Elles sont donc auto-lubrifiantes et sans entretien pendant une longue période. #### 5.6.2 Caractéristiques et utilisation de pièces frittées - Les propriétés des pièces frittées dépendent du matériau en poudre, de la taille des particules de poudre, de la pression de moulage et de la température de frittage. - Les pressions de compression basses donnent des pièces frittées poreuses, des pressions de compression élevées, des pièces denses à haute résistance. - Les pièces frittées à porosité grossière en bronze, laiton ou acier inoxydable sont frittées à partir de billes de métal et sont utilisées par ex. comme filtre et pare-flammes dans les conduites de gaz de soudage. - Les paliers lisses autolubrifiants sont constitués de matériaux apte au glissement finement poreux dont les pores sont remplis de lubrifiant. - En utilisation, les paliers s'échauffent; le lubrifiant sort des pores et assure la lubrification du palier. - A partir d'aciers frittés de resistance moyenne, on fabrique une variété de pièces frittées petittes et moyennes. - Ces pièces frittées sont installées dans de nombreuses machines et appareils produits en très grandes séries: Leviers, roues dentées, poulies, attaches, cames, bielles, etc. ##### Avantages de la technique de frittage - Fabrication de pièces en grandes séries sans usinage et peu coûteuses. - Nécessité d'un usinage mineur uniquement. - Possibilité de fabriquer des pièces frittées poreuses et denses. - Possibilité de choisir les propriétés du matériau par des mélanges de poudre appropriés. ##### Inconvénients de la technique de frittage - Nécessité de moules de compression coûteux, conviennent donc uniquement pour les pièces en grandes séries. - Taille de pièce limitée. - Nécessité de presses coûteuses avec une grande force de compression. - Pas de possibilité de fabriquer des composants de grande capacité de charge (capacité de charge limitée). #### 5.6.3 Matériaux frittés spécifiques - Avec la métallurgie des poudres, on fabrique des matériaux spéciaux qui ne peuvent pas être réalisés avec la technique de fonderie classique. - Exemples: - Les aciers rapides à base de poudre sont fabriqués à partir de poudre d'acier à outils par pressage à chaud et frittage. - Ils possèdent les meilleures propriétés de l'acier rapide. - A partir d'eux, on fabrique des tarauds, des fraises, des alésoirs. - Le métal dur est un composite constitué de fin grains de carbures métalliques et de métal. - Il est fabriqué par frittage liquide du mélange de poudre. - Lors du frittage, le cobalt fond et relie les particules de carbure afin de former une pièce frittée compacte. - Le métal dur est transformé en plaquettes de coupe. - Les plaquettes en céramique et les matériaux techniques en céramique sont constitués d' oxyde d'aluminum, d'oxyde de zirconium, de carbure de titane ou de nitrure de silicium. - Elles sont fabriquées à partir de poudre par frittage (cuisson) entre 1500°C et 2500°C. - On fabrique des plaquettes de coupe et d'autres composants techniques.