DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

La présente invention concerne la fabrication de pièces métalliques par frittage, en particulier la fabrication de pièces présentant des propriétés mécaniques de dureté particulière.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Un matériau métallurgique tel que l’acier comprend principalement du fer et du carbone, le carbone étant compris entre 0,02% et 2% en masse. Afin d’augmenter la dureté d’un acier, il est connu d’augmenter la teneur en carbone. Par exemple, certains aciers présentent des concentrations de carbone supérieures à 1,7% (aciers lédéburitiques). En outre, il est possible de réaliser des traitements thermiques, ces traitements étant principalement surfaciques.

Il est ainsi désireux de proposer un matériau présentant une dureté équivalente ou supérieure à celles de l’état de la technique, et/ou une dureté homogène en volume. Un autre but de l’invention est de limiter le nombres d’opérations et/ou de traitements.

L’INVENTION

A cet effet, et selon un premier aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’une pièce métallurgique caractérisé par les étapes suivantes :

- utiliser une poudre d’un matériau métallurgique présentant une granulométrie inférieure à 400 pim (micromètres),

- réduire la taille des grains et/ou des cristallites de la poudre de manière à obtenir des agrégats d’une taille caractéristique inférieure à 1000 pim (micromètres), et une taille moyenne de cristallites inférieure à 200 nm (nanomètres),

- fritter en utilisant un procédé de frittage SPS la poudre réduite, de manière que la pièce métallurgique obtenue présente une dureté Vickers supérieure à 320Hv.

La pièce obtenue selon l’invention permet d’augmenter la dureté par rapport aux résultats de l’art antérieur, tout en limitant les coûts grâce notamment à la diminution du nombre d’opérations et/ou de post- traitements. En outre, cela permet de limiter la teneur en carbone par rapport aux résultats de l’art antérieur. La pièce métalurgique obtenue est ainsi intrinsèquement différente par rapport aux résultats de l’art antérieur.

Pour ce qui précède et pour la suite de la description, on entend par :

- frittage SPS, acronyme de « Spark Plasma Sintering », un procédé de frittage sous pression basé sur la densification d’un échantillon de poudre par application d’une contrainte mécanique associée au passage d’un courant pulsé permettant de chauffer l’échantillon ; par exemple une méthode de frittage apparentée au pressage isostatique à chaud mais utilisant l'effet joule pour chauffer la poudre précompactée dans un creuset cylindrique creux entre deux électrodes en graphite sous atmosphère inerte ou sous vide, l'ensemble étant soumis à une pression de plusieurs mégapascals sous l'action d'une presse hydraulique. Un courant continu ou alternatif de plusieurs kiloampères, pulsé ou non, est appliqué entre les électrodes avec une tension de quelques volts. ;

- liant, toute matière permettant d’améliorer la densification et/ou les propriétés mécaniques finales donnant une cohésion mécanique à la pièce finale, par exemple le matériau cobalt ou un autre agent de frittage ;

- taille de grains, ou granulométrie, ou granulométrie des grains, la taille caractérisée par les valeurs dlO, d90, d50 afin de quantifier la dispersion de cette distribution de taille de grains ;

- taille de cristallites, ou taille moyenne de cristallites, chaque grain pouvant présenter des cristallites, la taille se rapportant aux domaines cristallographiques cohérents et qui est mesurée par des techniques du type MEB, TEM, ...;

- facteur de forme, le rapport entre deux longueurs caractéristiques, chaque longueur s’étendant selon une direction déterminée, lesdites longueurs caractéristiques présentant un angle non- nul l’une par rapport à l’autre, par exemple un angle de 90 degrés ;

- atomisation ou atomiser, en particulier concernant une poudre, une méthode de transformation d’un lingot métallique en poudre sphérique par fusion et projection des gouttes métalliques sous flux gazeux pour les rendre sphériques,

- sphéroïdisation, ou sphéroïdiser, en particulier concernant une poudre, une méthode de transformation d’une poudre métallique broyée anguleuse par fusion le plus souvent assisté plasma pour la rendre sphérique ; - broyage ou broyer, en particulier concernant une poudre, une méthode de transformation par action mécanique, par exemple par des billes, de manière à réduire la taille des cristallites et/ou la taille des grains d’une poudre ;

- agrégats, le résultat d’une réduction de la taille des grains et/ou de la taille des cristallites, par exemple par broyage, qui aboutit à une agglomération de petits grains pour former des agglomérats plus gros, mais chaque grain constituant les agglomérats présentent des tailles de cristallites plus petits ;

- dureté, la résistance d'un matériau a être marqué par un autre, on utilisera ici la dureté Vickers.

De préférence, la taille de grain est mesurable par un microscope optique ou électronique ou par un granulomètre. Dans le cas du granulomètre, il est possible d’utiliser un granulomètre du type laser ou optique, en voie sèche ou liquide.

De préférence, la pièce métallurgique ou le matériau métallurgique comprend au moins un élément métallique. La pièce ou le matériau comprend au moins 50% en masse de l’au moins un élément métallique.

De manière préférentielle, la poudre de matériau métallurgique utilisée présente une granulométrie inférieure à 50 mna (micromètres).

Selon des variantes de réalisation, la poudre de matériau métallurgique utilisée comprend :

- au moins 98% d’une phase métallique, ou

- au moins 95% d’une phase métallique, ou

- au moins 85% d’une phase métallique, ou

- au moins 80% d’une phase métallique, ou

- au moins 75% d’une phase métallique.

En lien avec le paragraphe précédent, la poudre de matériau métallurgique peut comprendre des agents dopants permettant d’augmenter encore plus la dureté finale, afin de compléter la composition de ladite poudre et respectivement :

- au plus 2% d’un ou plusieurs agents dopants,

- au plus 5% d’un ou plusieurs agents dopants,

- au plus 15% d’un ou plusieurs agents dopants, - au plus 20% d’un ou plusieurs agents dopants,

- au plus 25% d’un ou plusieurs agents dopants.

On entend par phase métallique, une phase métallurgique, ou cristallographique qui est un composé particulier associant plusieurs éléments chimiques et présentant une microstructure particulière. Un alliage est une association d’éléments métalliques principalement et optionnellement de manière minoritaire des éléments céramiques. Un alliage peut comporter une ou plusieurs phases métallurgiques.

De préférence, la phase métallique est un alliage à base de fer, tel que l’acier ou la fonte, ou un alliage à base d’aluminium, ou un alliage à base de titane, ou un alliage à base de nickel. La présente invention traite de tous les alliages.

De préférence, le matériau métallurgique présente une teneur en carbone inférieure ou égale à 2% en poids par rapport au poids total du matériau métallurgique. De manière préférentielle, le matériau métallurgique présente une teneur en carbone inférieure ou égale à 2% , de préférence inférieure ou égale à 1,75%, de préférence inférieure ou égale à 1,5%, de préférence inférieure ou égale à 1,25%, de manière préférée inférieure ou égale à 1%, de préférence inférieure ou égale à 0,75%, de manière préférentielle inférieure ou égale à 0,5%.

Chaque type de grains présente une taille de grain prédéterminée, une taille de cristallite prédéterminée et un facteur de forme prédéterminé.

De préférence, la poudre est réduite, en particulier lorsque la poudre ne peut pas être utilisée telle quelle, de manière que :

- les agrégats présentent une taille caractéristique inférieure à 200 micromètres, et/ou

- la taille moyenne des cristallites est inférieure à 100 nanomètres.

Selon des variantes de réalisation pouvant, ou non, être combinées, la réduction de la taille des grains et/ou des cristallites de la poudre comprend :

- une étape d’atomisation du matériau métallurgique, et/ou

- une étape de broyage du matériau métallurgique, de manière que la poudre utilisée présente une granulométrie inférieure à 1000 micromètres. De préférence, le procédé comprend une étape d’atomisation de la poudre utilisée de manière que la taille des grains présente une taille inférieure ou égale à 150 micromètres.

Selon d’autres variantes de réalisation, pouvant, ou non, être combinées, la réduction de la taille des grains et/ou des cristallites de la poudre comprend :

- une étape d’atomisation du matériau métallurgique, et/ou

- une étape de broyage du matériau métallurgique, de manière que la taille des agglomérats présente une taille inférieure à 1000 micromètres.

De préférence, et dans le cas de la combinaison des deux étapes, l’étape d’atomisation est réalisée avant l’étape de broyage.

La microstructure de grains prédéterminée peut présenter les caractéristiques suivantes :

- Distribution granulométrique : d50 étant compris entre 0.1 et 100 m m ,

- Taille de cristallite : 20 à 1000 nm,

- Facteur de forme : entre 1 et 5 (sphérique à anguleux, sans être cylindrique).

Un mode de réalisation consiste à utiliser une distribution granulométrique monomodale avant broyage comprise entre 0.1 et 100 micromètres (jim ).

Selon un autre mode de réalisation, les poudres présentent une distribution bimodale avant broyage avec des valeurs d50 séparées d’une décade, typiquement O.ΐ iti et 1 m m ou 1 m m et

1 Om m ou encore 1 Om m et 1 ()()// m . Il se peut que cette distribution bimodale soit séparée de

2 décades, typiquement 0.1 et 1 Om m ou 1 et 1 ()()// m .

Selon encore un autre mode de réalisation, la distribution est trimodale avec des d50 séparées d’une décade, typiquement O.ΐ iti, 1 m m et IO iti. Ces exemples sont évidemment non limitatifs.

Dans un mode de réalisation, la poudre est utilisée telle quelle, brute de fournisseur. Par exemple, cette poudre peut présenter une valeur d50, en particulier un diamètre, de grain inférieur(e) à 100 micromètres, de préférence inférieur(e) à 50 micromètres, de préférence inférieur(e) à 15 micromètres.

Dans un mode préférentiel, la poudre est broyée afin d’affiner la taille des cristallites (domaines cristallographiques cohérents) qui est différente de la distribution granulométrique. Ainsi, après broyage, on constate une réduction de la taille des cristallites, mais pas nécessairement une réduction de la taille des grains.

Préférentiellement, la taille des cristallites est comprise entre 20 et 1000 nanomètres (nm). Préférentiellement, la taille des cristallites est comprise entre 20 et 100 nm. Préférentiellement enfin, la taille des cristallites est comprise entre 20 et 50 nm. Dans un mode de réalisation, il est envisageable d’associer plusieurs tailles de cristallites.

Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape d’ajout d’au moins un agent dopant avec le matériau métallurgique, avant l’étape de frittage.

De préférence, l’au moins un agent dopant est ou comprend du nitrure de bore BN, du carbure de titane TiC, du carbure de tungstène WC, du carbure de silicium SiC, du carbure de niobium NbC, du carbure de bore B C, du Nitrure de silicium SiN , de l’oxide d’aluminium Al O , de l’oxyde de zirconium ZrO , de l’oxyde d’yttrium Y0 ou un mélange de ceux-ci. De manière préférentielle, l’au moins un agent dopant est ou comprend les variants dopés des éléments précédents.

Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication comprend uniquement une étape d’atomisation de la poudre du matériau métallurgique, et ensuite la poudre obtenue, dite poudre intermédiaire, peut être mélangée, ou non, à au moins un agent dopant.

Selon un autre mode de réalisation particulier, le procédé de fabrication comprend uniquement une étape de broyage de la poudre du matériau métallurgique, et ensuite la poudre obtenue, dite poudre intermédiaire, peut être mélangée, ou non, à au moins un agent dopant.

Selon un premier mode de réalisation, l’étape de frittage est réalisée jusqu’à l’obtention d’une pièce de forme prédéterminée est composée ou constituée du matériau métallurgique fritté. De manière préférentielle, la pièce de forme prédéterminée est composée ou constituée uniquement du matériau métallurgique fritté, le matériau métallurgique comprenant l’une ou plusieurs des carctéristiques énoncées précédemment.

Selon un deuxième mode de réalisation, l’étape de frittage est réalisée jusqu’à recouvrir une pièce, dite pièce de départ, d’une couche du matériau métallurgique fritté de manière à obtenir une pièce de forme prédéterminée. Par exemple le procédé de fabrication comprend en outre les étapes suivantes :

- choisir une pièce, dite pièce de départ,

- fritter la poudre réduite sur la pièce de départ jusqu’à recouvrir ladite pièce de manière à obtenir la pièce métallurgique.

Selon une variante de réalisation, la pièce de départ est obtenue par l’étape de frittage selon le premier mode de réalisation.

De préférence, selon n’importe quel mode de réalisation, le procédé de fabrication comprend une étape d’ajout d’au moins une poudre métallique de substrat avec le matériau métallurgique, avant l’étape de frittage.

De manière préférentielle, selon n’importe quel mode de réalisation, la hauteur de chaque couche de poudre frittée en fonction du besoin.

On entend par poudre métallique de substrat, Tout alliage, compatible thermochimiquement avec la poudre métallurgique aboutissant au matériaux métallique de dureté élevée. Par exemple, la poudre métallique de substrat est de l’acier 316L ou de l’inox sans nickel.

De préférence, le procédé de fabrication comprend en outre une étape de traitement thermique après l’étape de frittage.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose une pièce métallurgique obtenue selon l’une ou plusieurs des caractéristiques du procédé de fabrication du premier aspect.

La pièce métallurgique est par exemple, et de manière non limitative, un outil de coupe pour l’usinage ou le forage.

La pièce métallurgique est obtenue par frittage SPS d’une poudre d’un matériau métallurgique caractérisé en ce que la poudre présente une taille de grains inférieure à 1000 micromètres et/ou une taille de cristallites inférieure à 200 nanomètres, de manière que la pièce métallurgique obtenue présente une dureté Vickers supérieure à 320Hv.

De préférence, le procédé de fabrication prévoit de prendre en compte seulement la taille de grain et/ou la taille de cristallites. Selon un ou plusieurs modes de réalisation, pouvant être combinable, lors de l’étape de frittage en utilisant un procédé de frittage SPS :

-la contrainte appliquée peut être supérieure à 0 MPa, de préférence supérieure ou égale à 5

MPa et inférieure ou égale à 150 MPa, de préférence inférieure ou égale à 75 MPa, de préférence inférieure ou égale à 50 MPa, de préférence inférieure ou égale à 25 MPa, de préférence inférieure ou égale à 20 MPa, de préférence inférieure ou égale à 18 MPa, de préférence inférieure ou égale à 15 MPa;

- la durée de palier du frittage SPS peut être supérieure ou égale à 2 minutes et inférieure ou égale à 45 minutes.

De préférence, la température peut être déterminée de manière empirique par l’homme du métier en fonction de la nature de la nuance métallique choisie.

Ces caractéristiques permettent d’obtenir une pièce présentant un taux de densification souhaité, qui peut être égal ou supérieur à 70% et peut être égal à 100%. En particulier, l’association de la température, de la contrainte et de la durée du pallier permettent d’accéder à un taux de densification souhaité.

De préférence, les paramètres de densification (température, durée de pallier, contrainte) sont à adapter en fonction de la nuance métallique de la matrice. Par exemple, la détermination des paramètres de frittage décrit précédemment sont définissable par l’homme du métier via une étude empirique. Selon un mode de réalisation, en fonction de la nature des agents dopants, dit aussi charges durcissantes et la nature de la nuance métallique de la matrice, le choix des paramètres de frittage peuvent induire ou non un phénomène de réactivité charge/matrice qui pourra améliorer le renforcement final du matériaux formé. Par exemple, le taux de charges est supérieur à quelques % massiques. Par exemple, le taux est supérieur à 1%, de préférence supérieure à 5%, de préférence inférieur à 30%, de préférence inférieur à 25%.

Selon un mode de réalisation, l’etape de broyage du matériau métallurgique, de préférence de la poudre métallurgique, et/ou le co-broyage de la poudre métallurgique et de la charge durcissante, et/ou le mélangeage des poudres métallurgique et des charges durcissantes peut être réaliser en voie sèche ou en voie humide. Dans le cadre de la voie sèche, elle peut être réalisée sous air ou sous gaz neutre en fonction de la nature de la nuance métallique de la matrice. Dans le cas d’une voie humide, le choix du solvant sera déterminé via étude empirique connue de l’homme du métier.

De préférence, ledit procédé de fabrication prévoit une étape de broyage cryogénique.

De préférence, la qualité du frittage peut être déterminée par mesure de densité géométrique, par poussée d’Archimède, par pycnométrie hélium, par porosimétrie, par intrusion de mercure, et éventuellement par BET (mesure de surface spécifique des matériaux mesurée par adsorption d'un gaz (azote) avec la méthode BET (Brunauer, Emett et Teller)), ou analyse d’image en microscopie, ou une combinaison de plusieurs méthodes.

Description de la figure

La figure 1 représente un logigramme présentant les différents modes de réalisation du procédé de fabrication.

En référence à la figure 1 , il est prévu un procédé de fabrication d’une pièce métallique au cours duquel :

- la poudre de matériau métallugique « Alliage » peut être seulement atomisée ou seulement broyée, voir les deux premières lignes,

- la poudre de matériau métallugique « Alliage » peut être atomisée puis broyée, voir la troisième ligne,

- la poudre de matériau métallugique « Alliage » peut être atomisée et mélangée à un élément d’addition ou agent dopant, voir la quatrième ligne,

- la poudre de matériau métallugique « Alliage » peut être broyée et mélangée à un élément d’addition ou agent dopant, voir la cinquième ligne,

- la poudre de matériau métallugique « Alliage » peut être atomisée, puis broyée et mélangée à un élément d’addition ou agent dopant, voir sixième ligne.

L’obtention de cette poudre dite poudre d’alliage intermédiaire est ensuite fritter en utilisant la méthode du frittage SPS, voir « frittage SPS A ».

La dureté de la pièce métallurgique ex nihilo obtenue ou du revêtement de la pièce métallurgique obtenu est :

- supérieure à 200Hv dans les cas d’une atomisation seule ou d’un broyage seule, - supérieure à 350Hv dans le cas d’une atomisation puis d’un broyage,

- supérieure à 450Hv dans les autres cas.

Selon un autre mode de réalisation, la poudre intermédiaire peut être déposée avant ou après une poudre de substrat métallique de manière à former une superposition de couches. On ajustera la hauteur de chaque couche en fonction du besoin.

Ensuite cette superposition de couches est frittée en utilisant la méthode du frittage SPS, voir « frittage SPS B », permettant d’obtenir une pièce métallurgique ex nihilo obtenue.

Selon une variante de réalisation par rapport au précédent mode de réalisation, il est possible de réaliser le procédé de fabrication précédent de manière à former un revêtement, voir « frittage SPS C », sur une pièce métallurgique obtenue ex nihilo, après « frittage SPS A » .

Selon une autre variante, le revêtement peut être appliqué, voir « frittage SPS D », sur une pièce, dite pièce de départ, par exemple un acier dit 316L.

Le revêtement peut présenter une épaisseur supérieure ou égale à un millimètre.

La dureté des pièces obtenues est ainsi augmentée jusqu’à atteindre une valeur comprise entre 200 Hv et 1500 Hv avec des agents dopants.

Selon un mode de réalisation, l’agent de dopage est par exemple du carbure de silicium. Les agrégats présentent par exemple une taille comprise entre 100 et 500 micromètres. La taille des grains est par exemple comprise entre 50 et 150 nanomètres. Cet exemple permet d’obtenir une pièce présentant une dureté environ égale à 1000 Hv.