Tout ce que vous devez savoir sur la métallurgie des poudres

La métallurgie des poudres est l'un des cours importants que les ingénieurs mécaniciens doivent connaître. Les produits fabriqués à partir de ce matériau sont courants autour de nous, en particulier les pièces automobiles. La métallurgie des poudres comprend une famille de technologies de production, utilisées pour fabriquer des composants de différents types. En outre, la métallurgie des poudres, abrégée en PM, est un terme couvrant un large éventail de façons dont les matériaux ou composants sont fabriqués à partir de poudres métalliques.

Aujourd'hui, vous apprendrez à connaître la définition, l'importance, les types, le processus, l'application ainsi que les avantages et les inconvénients de la métallurgie des poudres dans notre vie moderne.

Qu'est-ce que la métallurgie des poudres ?

La métallurgie des poudres est un procédé de fabrication utilisé pour produire des objets finis ou semi-finis. Cela se fait en comprimant la poudre métallique dans des matrices appropriées. Ce procédé métallurgique est l'un des moins chers qui offre une qualité et une résistance élevées. Il est également utilisé pour obtenir des formes complexes avec un haut degré de précision. De ce fait, le procédé est adapté à la production de masse. La métallurgie des poudres implique principalement quatre étapes de base qui comprennent la préparation de la poudre, le mélange et le mélange, le compactage et le frittage. Tout cela sera expliqué plus en détail dans cet article.

La métallurgie des poudres est un procédé qui existe depuis plus de 100 ans, soit au cours du dernier quart de siècle. Il s'agit d'une méthode supérieure de production de pièces de haute qualité pour différentes applications importantes. Le processus a été couronné de succès car il offre de plus grands avantages par rapport à d'autres processus de formage des métaux tels que le forgeage et la coulée de métal, etc. Ces avantages incluent en outre l'utilisation des matériaux, la complexité de la forme, le contrôle dimensionnel de la forme quasi nette, entre autres. Pour cette raison, la métallurgie des poudres a été reconnue comme une technologie verte.

De plus, la métallurgie des poudres est utilisée pour fabriquer des composants uniques impossibles à obtenir par fusion ou formage. Un produit important très similaire est le carbure de tungstène (WC). Il est utilisé pour couper et former d'autres métaux et est fabriqué à partir de particules de WC liées au cobalt. Ce processus est principalement utilisé dans l'industrie pour les péages de différents types et, à l'échelle mondiale, environ 50 000 tonnes/an (t/an) sont fabriquées par MP.

Applications de la métallurgie des poudres

Vous trouverez ci-dessous les applications des composants de la métallurgie des poudres dans divers domaines.

Les applications automobiles

Environ 80 % des pièces en métallurgie des poudres sont destinées à des applications automobiles. Environ 75% de ces composants sont destinés aux transmissions automatiques et manuelles et aux pièces de moteur. Ces applications de transmission comprennent les pièces du système de synchronisation, les moyeux d'embrayage, les composants de changement de vitesse, les porte-engrenages planétaires, les moyeux de turbine, l'embrayage et les plaques de poche. Les pièces de moteur fabriquées avec la métallurgie des poudres comprennent les poulies, les pignons et les moyeux, en particulier ceux associés au système de courroie de distribution du moteur, les guides de soupape, les inserts de siège de soupape, les lobes PM pour les arbres à cames assemblés, les engrenages d'équilibrage, les chapeaux de palier d'arbre à cames et le moteur. le capteur de gestion sonne.

Certains autres systèmes automobiles utilisent la métallurgie des poudres dans certaines de leurs pièces, notamment :

• Pompes à huile, en particulier les engrenages.
• Amortisseurs tels que guides de tige de piston, soupapes de piston, soupapes d'extrémité.
• Systèmes de freinage antiblocage (ABS), son capteur sonne.
• Brides, bossages de capteur d'oxygène des systèmes d'échappement.
• Systèmes de calage variable des soupapes.
• Turbocompresseurs
• Systèmes de recirculation des gaz d'échappement (EGR)
• Composants du châssis
• Transmissions à variation continue.

Les autres applications de la métallurgie des poudres incluent :

• Applications aérospatiales
• Industrie pétrolière et gazière
• Secteur de la santé, etc.

Dans une prise en main rapide, les applications de la métallurgie des poudres sont :

• Les outils de coupe tels que les outils en carbure cémenté, les outils en céramique, etc. sont des produits de la métallurgie des poudres.
• Les douilles électriques fabriquées en mélangeant du Cu et de l'Ag avec du graphite sont des produits P/M.
• Buses pour fusées et missiles.
• Petites pièces dans les applications automobiles et électroménagers où la capacité à produire une forme presque définitive nécessitant un minimum d'usinage offre un avantage économique important.
• Roulements, douilles, etc.
• Les métaux doux magnétiques tels que Fe, Fe-3Si, etc. sont facilement façonnés en une forme finale par P/M.

Procédé de métallurgie des poudres

Comme indiqué précédemment, la métallurgie de l'énergie a quatre processus de base qui incluent :

Préparation de la poudre :

Avant qu'un objet puisse être produit, le matériau doit être converti en énergie. Les différents processus de production d'une telle poudre comprennent l'atomisation, le broyage, la réaction chimique, le processus d'électrolyse, etc.

Mélanger et mélanger :

Ce processus de métallurgie des poudres consiste à mélanger deux ou plusieurs matériaux de puissance pour produire un matériau d'alliage à haute résistance. Eh bien, selon les exigences du produit. Cette étape assure une distribution uniforme de la poudre avec des additifs, des liants, etc. pour améliorer la caractéristique d'écoulement de la poudre, des lubrifiants sont parfois ajoutés dans le processus de mélange.

Compactage :

Ce processus consiste à comprimer le mélange de poudre préparé dans des matrices prédéfinies. Le compactage assure la réduction des vides et augmente la densité du produit. La poudre est compactée dans un moule en utilisant la pression pour former un produit appelé compact vert. Cela signifie que le produit est formé par compactage. La pression utilisée va de 80 à 1600 MPa. Bien que la pression dépende des propriétés de la poudre métallique et des liants. c'est-à-dire que pour le compactage de poudre molle, la pression est d'environ 100 à 350 MPa, et pour l'acier, le fer, etc. La pression est comprise entre 400 et 700 MPa.

Frittage :

Étant donné que le compact vert produit par compression n'est pas si résistant et ne peut pas être utilisé comme produit final, un frittage est effectué. Le frittage consiste à chauffer le compact vert à une température élevée afin d'obtenir une liaison solide permanente. Le processus de métallurgie des poudres confère de la résistance au compact vert et le convertit en un produit final. Généralement, la température de frittage est d'environ 70 à 90 % de la température de fusion de la poudre métallique.

Opération secondaire :

Étant donné que l'objet fritté est plus poreux que le matériau entièrement dense. La densité du produit dépend de la capacité de la presse, de la température de frittage, de la pression de compression, etc. Parfois, les produits n'ont pas besoin d'une densité élevée, ce qui permet d'utiliser directement les produits frittés comme produits finaux. Cependant, un produit très dense est parfois nécessaire (par exemple, la production de roulement). L'opération secondaire est nécessaire pour rendre le produit de haute densité et de haute précision dimensionnelle. L'opération secondaire couramment effectuée comprend le dimensionnement, la frappe, l'infiltration, le forgeage à chaud, l'imprégnation, etc.

regardez la vidéo ci-dessous pour en savoir plus sur le processus de métallurgie des poudres :

Types de processus de métallurgie des poudres

Les procédés de métallurgie des poudres peuvent être réalisés de différentes manières, en fonction des produits à fabriquer. Vous trouverez ci-dessous les différents types de procédés de métallurgie des poudres rencontrés dans les industries des poudres métalliques.

Procédé conventionnel de métallurgie des poudres :

Avec le schéma ci-dessous, les types conventionnels de procédés de métallurgie des poudres sont expliqués. Il s'agit de mélanger des poudres élémentaires ou d'alliage, de compacter le mélange dans une filière, puis de fritter ou de chauffer. Comme expliqué ci-dessus, les formes résultantes dans un four à atmosphère contrôlée lient métallurgiquement les particules.

Comme mentionné précédemment, la plupart des pièces de métallurgie des poudres pèsent moins de 5 lb. (2,27 kg), bien que certaines pièces qui pèsent 35 lb (15,89 kg) puissent être fabriquées dans un équipement PM conventionnel. Les pièces telles que les bagues et les roulements ont des formes simples. Eh bien, il existe aujourd'hui un processus PM sophistiqué qui peut produire des composants aux contours complexes et à plusieurs niveaux. Ces machines sont assez économiques.

Moulage par injection de métal (MIM)

Le moulage par injection de métal a la capacité de fabrication de produire des formes complexes en grandes quantités. Des poudres métalliques fines généralement inférieures à 20 microns sont utilisées dans ce procédé. Ces poudres métalliques sont formulées sur mesure avec un liant (différents thermoplastiques, cires et autres matériaux) dans une matière première. La charge d'alimentation est introduite dans une cavité (cavités multiples) d'une machine de moulage par injection conventionnelle. Lorsque le composant "vert" est éliminé, presque tout le liant est extrait par traitement thermique ou au solvant. Le reste du liant est éliminé lors du processus de frittage, qui est effectué dans un four à atmosphère contrôlée.

Ces types de procédés de métallurgie des poudres sont très similaires au moulage par injection de plastique et au moulage sous haute pression. Ils peuvent également produire bon nombre des mêmes formes et caractéristiques de configuration. Cependant, ils ont des pièces limitées à relativement petites (généralement moins de 250 grammes), très complexes qui, autrement, nécessiteraient un usinage de finition approfondi. Les avantages de ce procédé métallurgique sont dus à sa capacité à produire des propriétés mécaniques proches des matériaux corroyés. Il s'agit d'une technologie de processus en forme de filet avec un bon contrôle des tolérances dimensionnelles. Enfin, les pièces moulées par injection de métal offrent une capacité de forme et de caractéristiques géométriques presque illimitée. Il a également la capacité d'atteindre des taux de production élevés grâce à l'utilisation d'outils multi-empreintes.

Pressage isostatique

Le pressage isostatique est un type populaire de procédé de formage par métallurgie des poudres. Il applique une pression égale dans toutes les directions sur un poudrier. De ce fait, l'obtention d'une uniformité maximale de densité et de microstructure sans les limitations géométriques du pressage uniaxial.

Le pressage isostatique peut être réalisé à froid ou à chaud. Le schéma ci-dessous décrit le pressage isostatique à froid. Le pressage isostatique à froid (CIP) est utilisé pour compacter des pièces crues à température ambiante. Cependant, le pressage isostatique à chaud (HIP) consolide entièrement les pièces à des températures élevées grâce à la diffusion à l'état solide. Ce processus de pressage à chaud peut également être utilisé pour éliminer la porosité résiduelle d'une pièce PM frittée.

Fabrication additive métallique

Fabrication additive métallique qui est abrégée en AM et peut également être appelée impression 3D. Ce processus a le potentiel de modifier profondément la production, les délais de mise sur le marché et la simplicité des composants et des assemblages. Le processus ne fonctionne pas comme les processus de fabrication conventionnels ou soustractifs (par exemple, usinage au tour ou perçage). Ces processus créent des pièces en enlevant de la matière, ce qui n'est pas le cas dans la fabrication additive. La fabrication additive construit des pièces en utilisant un processus couche par couche directement à partir d'un modèle numérique.

Dans ce processus, les moules ou les matrices ne sont pas utilisés, c'est pourquoi il n'y a pas de gaspillage de beaucoup de matériau qui entraîne des dépenses pour le processus de fabrication. La fabrication additive est utilisée depuis longtemps comme outil de conception et de prototypage. Cependant, ses objectifs évoluent désormais vers la production directe de composants, notamment des pièces de moteurs d'avion, des implants médicaux et des bijoux.

Ce processus de fabrication n'est pas un type unique de technologie ou de processus. Cependant, bien que tous les systèmes de fabrication additive utilisent une approche commune couche par couche, ils utilisent toujours une grande variété de matériaux, de technologies et de processus.

Les technologies de fabrication additive qui utilisent des poudres métalliques incluent :

• Frittage laser (LM/SLS/SLFS)
• Reliure jet d'encre sélective (SIB)
• Fusion par faisceau d'électrons (EBM)
• Formation de poudre laser (LPF)
• Procédé sur lit de poudre
• Modélisation par dépôt de fil fondu (FDM)/Extrusion

Avantages et inconvénients du procédé de métallurgie des poudres

Avantages :

Voici les avantages du procédé de métallurgie des poudres :

• Rentabilité pour la production de masse car il n'y a pas de coût d'usinage supplémentaire, de coût de main-d'œuvre, etc.
• Un opérateur hautement qualifié n'est pas nécessaire.
• Certains alliages ne peuvent être produits qu'avec la technologie PM.
• Les produits bimétalliques et laminés sont facilement fabriqués avec cette méthode.
• Taux de production élevé. Jusqu'à 500 à 1 000 pièces peuvent être produites en une heure.
• La forme complexe peut être facilement produite.

Inconvénients :

Malgré les grands avantages du procédé de métallurgie des poudres, certaines limitations subsistent. ci-dessous sont les inconvénients du procédé de métallurgie des poudres :

• Le coût de l'équipement est élevé.
• c'est cher pour une seule production.
• Les conceptions complexes peuvent être difficiles à produire en raison de la faible fluidité de la poudre métallique.
• Des produits denses uniformes complets ne peuvent pas être produits.
• La taille des produits est limitée en raison de la capacité de pressage.
• La poudre métallique qui peut produire une explosion ne peut pas être utilisée.
• Il est difficile de couler des métaux à bas point de fusion par le procédé PM.
• Les produits finis peuvent présenter des propriétés de faible impact et de fatigue.

Conclusion

La métallurgie des poudres est un procédé qui a facilité la production de pièces en série. Il est disponible depuis un certain temps maintenant, mais continue de progresser à mesure que la technologie ne cesse d'augmenter. Aujourd'hui, nous avons appris la définition, les types, les processus et les applications de la métallurgie des poudres. Nous avons également examiné ses avantages et ses inconvénients.

J'espère que vous avez beaucoup tiré de cet article, si c'est le cas, merci de le partager avec d'autres étudiants techniques. Merci d'avoir lu! A la prochaine.