Qu’est-ce que la métallurgie des poudres – Définition

La métallurgie des poudres (PM) est une branche de la métallurgie en croissance et en évolution rapide basée sur la production de matériaux sous forme de poudres métalliques et la fabrication de pièces à partir de ces matériaux. Les procédés de métallurgie des poudres peuvent éviter ou réduire considérablement la nécessité d’utiliser des procédés d’enlèvement de métal, réduisant ainsi considérablement les pertes de rendement dans la fabrication et entraînant souvent une baisse des coûts. Le principal marché de la poudre métallique concerne les pièces complexes fabriquées par diverses technologies PM.

La métallurgie des poudres est également utilisée pour fabriquer des matériaux uniques impossibles à obtenir par fusion ou formation par d’autres moyens. Par exemple, le carbure de tungstène (WC), qui est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou et de nombreuses autres applications, est fabriqué par métallurgie des poudres.

Les poudres de métaux et d’alliages sont également transformées en pièces pour plusieurs raisons. Plus important encore, des pièces de formes complexes, des tolérances étroites, une densité contrôlée et des propriétés contrôlées (et souvent inhabituelles) peuvent être produites par des méthodes PM. La capacité de formage de haute précision de PM génère des composants avec une forme presque nette, des caractéristiques complexes et des pièces de bonne précision dimensionnelle sont souvent finies sans nécessiter d’usinage. La méthode la plus courante de production de pièces PM est le processus en deux étapes consistant à:

• Compactage de la poudre (par pressage). La poudre est mélangée à des rapports élémentaires souhaités pour l’alliage résultant, et un liant est ajouté pour faciliter la fluidité de la poudre dans le processus de formage. La poudre formulée est compactée pour rapprocher les particules de poudre afin d’encourager la liaison. Le compactage des poudres métalliques est réalisé dans une filière rigide sous haute pression (typiquement de l’ordre de 135 à 680 MPa). La masse compactée de poudres est appelée un compact vert (non fritté).
• Frittage. Après compactage d’un compact vert, les matériaux en poudre sont chauffés dans une atmosphère contrôlée dans un processus connu sous le nom de frittage. Lors du frittage, les poudres métalliques compactées sont liées ou frittées par chauffage dans un four à une température généralement inférieure au point de fusion du constituant principal. Le frittage des métaux en poudre est un processus dans lequel des particules sous pression se lient chimiquement entre elles afin de former une forme cohérente lorsqu’elles sont exposées à une température élevée. Ce processus est connu sous le nom de frittage à l’état solide. Si la température est supérieure au point de fusion d’un composant dans la pièce en poudre métallique, le liquide des particules fondues remplit les pores. Ce type de frittage est connu sous le nom de frittage à l’état liquide. Le temps et la température de frittage sont les facteurs les plus importants d’un point de vue pratique, la température étant la variable la plus importante. Au cours de ce processus, un certain nombre de caractéristiques sont augmentées, notamment la résistance, la ductilité, la ténacité et la conductivité électrique et thermique du matériau. Si différentes poudres élémentaires sont compactes et frittées, le matériau se transformerait en alliages et en phases intermétalliques.

Il existe également d’autres méthodes de compactage de poudre telles que le moulage par injection de métal et les techniques de compactage à haute température (telles que le pressage isostatique à chaud et le forgeage de poudre) qui consolident les poudres métalliques à des densités plus élevées approchant ou équivalant à celles des produits corroyés.

La fabrication de pièces par les méthodes PM présente plusieurs avantages, notamment:

• Produire des pièces avec une microstructure et une répartition des éléments d’alliage plus uniformes. Les produits sont plus prévisibles dans leur comportement dans une large gamme d’applications.
• La capacité de formage de haute précision permet la production de pièces avec des dimensions nettes ou proches de la forme nette (réduisant ainsi le besoin d’usinage)
• Flexibilité dans la conception des composants
• Certains matériaux spatiaux (par exemple des matériaux très durs) ne peuvent être produits que par la métallurgie des poudres

Les principaux inconvénients de la métallurgie des poudres résident dans le coût élevé des poudres métalliques par rapport au coût de la matière première utilisée pour couler ou forger un composant. De plus, les pièces de forme grande ou complexe sont parfois difficiles à produire par le procédé PM et les pièces ont une ductilité et une résistance inférieures à celles produites par forgeage.

Matériaux pour la métallurgie des poudres

Les matériaux pour la métallurgie des poudres couvrent une gamme d’applications très étendue. Voici des exemples de matériaux traités par métallurgie des poudres:

• Fer/acier. Les matériaux ferreux faiblement alliés issus de la métallurgie des poudres sont prédominants dans le secteur des pièces structurelles pressées/frittées. Dans le secteur automobile, qui consomme environ 80 % de la production de pièces structurelles en PM, la raison du choix du PM est, dans la majorité des cas, d’ordre économique. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.
• Aciers inoxydables. Les aciers inoxydables peuvent également être traités par métallurgie des poudres. Une gamme d’aciers inoxydables des séries AISI 300 et 400 est disponible sous forme de poudre. Aussi, de nombreux types d’aciers à lames sont produits par la métallurgie des poudres. La nuance d’acier inoxydable à durcissement par précipitation, AISI 17-4 PH, est également fréquemment utilisée dans les produits MIM (moulage par injection de métal). De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, l’acier 17-4 PH offre généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.
• Alliages de cuivre. Les alliages de cuivre peuvent être transformés en pièces structurelles PM. Ceux-ci peuvent utiliser des poudres entièrement pré-alliées ou des mélanges élémentaires. Les poudres de bronze peuvent être transformées en roulements autolubrifiants.
• Alliages d’aluminium. Les propriétés mécaniques des alliages d’aluminium dépendent fortement de leur composition de phase et de leur microstructure. Une résistance élevée peut être obtenue entre autres par l’introduction d’une fraction volumique élevée de particules fines de seconde phase réparties de manière homogène et par un affinement de la taille des grains. La métallurgie des poudres permet de préparer des matériaux à grains fins avec une solubilité solide accrue qui sont des précurseurs favorables pour un renforcement ultérieur de la précipitation. L’atomisation au gaz a été utilisée pour la préparation des poudres. Une gamme de poudres d’alliages d’aluminium est disponible pour le traitement de la métallurgie des poudres par pressage/frittage de la métallurgie des poudres ou MIM. Les applications de l’aluminium dans la métallurgie des poudres sont généralement axées sur les applications aérospatiales, l’accent étant mis sur les composites pleine densité en tant qu’éléments structuraux. L’alliage métallique en poudre est généralement basé sur les alliages d’aluminium des séries 2000 et 6000 et contient du cuivre, du magnésium et/ou du silicium. Les composants automobiles structurels fabriqués à l’aide de techniques PM ont connu une forte adoption au cours des dernières décennies en raison de la rentabilité, des capacités de volume élevé et du post-traitement limité nécessaire pour les pièces PM. De nombreux composants de moteur sont fabriqués à l’aide de particules telles que les bielles, les chapeaux de came, les poulies d’entraînement et les dispositifs de distribution.
• Alliages de molybdène. L’alliage à base de molybdène le plus courant est l’alliage titane-zirconium-molybdène TZM, composé de 0,5 % de titane et de 0,08 % de zirconium (le reste étant le molybdène). Il est généralement fabriqué par la métallurgie des poudres ou des procédés de coulée à l’arc. L’alliage présente une résistance au fluage et une résistance à haute température plus élevées, ce qui permet des températures de service supérieures à 1060 °C pour le matériau.
• Alliages de titane. L’utilisation d’alliages de titane dans la métallurgie des poudres n’a cessé d’augmenter en raison de la viabilité et de la réduction des coûts de production de pièces de forme presque nette avec un post-traitement limité. Cela les a amenés à être au centre de la recherche et du développement dans le monde entier. Les poudres de titane et d’alliages de titane sont disponibles sous plusieurs formes. L’utilisation limitée de la métallurgie des poudres de titane pressées/frittées a généralement utilisé la poudre de titane HDH (hydrure-déshydrure). Les propriétés mécaniques du titane Ti-6Al-4V comme d’autres alliages PM dépendent de la porosité, de la microstructure et de la teneur en oxygène dans l’alliage post-fritté et pré-fritté. Niveau 5 – Ti-6Al-4V est nettement plus résistant que le titane commercialement pur (grades 1 à 4) en raison de sa possibilité d’être traité thermiquement. Cette nuance est une excellente combinaison de résistance, de résistance à la corrosion, de soudure et de fabricabilité C’est le premier choix pour de nombreux domaines d’applications

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Voir ci-dessus:
Métallurgie