La présente invention se rapporte à un procédé de production d'une pièce mécanique par frittage d'un matériau métallique pulvérulent et un ensemble de production permettant de mettre en œuvre un tel procédé.

Un domaine d'application envisagé est celui de la mécanique en général pour réaliser, par exemple, des engrenages, des patins ou bien encore des bagues. Un autre domaine d'application visé est celui des applications biomédicales, par exemple pour réaliser des éléments de prothèse.

On désignera ici par un frittage, le traitement par lequel des grains d'une poudre comprimés dans un moule métallique, sont chauffés à une température inférieure à leur point de fusion de manière à les souder ensemble pour former une seule masse solide tout en conservant la forme donnée par le moule.

Des procédés connus en métallurgie des poudres permettent de réaliser des pièces mécaniques en agglomérant puis en frittant des poudres métalliques ou céramiques. Pour ce faire, dans une première étape de compaction on utilise une matrice présentant un orifice longitudinal traversant et à travers lequel on engage d'un côté un poinçon inférieur qui délimite alors une cavité ouverte et d'un autre côté un poinçon supérieur apte à venir refermer la cavité. La matrice est orientée de manière à ce que l'orifice longitudinal s'étende verticalement. Ainsi, la cavité peut alors être remplie d'une poudre, laquelle est retenue par le poinçon inférieur. Ensuite on vient positionner le poinçon supérieur à travers l'orifice longitudinal pour pouvoir refermer la cavité et appliquer un effort. La poudre est alors agglomérée et comprimée à force entre les deux poinçons. Un procédé de compaction particulier consiste à venir impacter le poinçon supérieur avec une énergie donnée pour produire l'effort nécessaire à la formation d'un comprimé. Une deuxième étape distincte de frittage consiste en un traitement en température de la pièce pour lui conférer ses propriétés mécaniques.

Toutefois, il s'avère que la pièce ainsi réalisée se déforme sensiblement après avoir été éjectée de la matrice et il peut également apparaître des défauts de types retassures pouvant rendre la pièce inutilisable. Aussi, pour les pièces mécaniques de précision, il est nécessaire de venir usiner la pièce ainsi obtenu pour pouvoir la porter aux bonnes cotes.

Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir un procédé qui permette aux pièces mécaniques obtenues par frittage d'un matériau pulvérulent de conserver leurs dimensions après leur éjection de la matrice.

Dans ce but, et selon un premier objet, la présente invention propose un procédé de production d'une pièce mécanique par frittage d'un matériau pulvérulent, ledit procédé étant du type comprenant les étapes suivantes : on fournit un matériau métallique pulvérulent présentant des grains, ledit matériau métallique pulvérulent présentant une température de fusion déterminée ; on agglomère ensuite sous pression à l'intérieur d'une cavité une quantité donnée dudit matériau métallique pulvérulent ; puis on fournit de l'énergie thermique à ladite quantité donnée de matériau métallique pulvérulent pour la porter à une température donnée inférieure à ladite température de fusion ; et on choque ladite quantité donnée de matériau métallique pulvérulent agglomérée et portée à ladite température donnée pour pouvoir souder entre eux les grains dudit matériau métallique pulvérulent de façon à obtenir un seul corps solide. Selon l'invention, on maintient ledit seul corps solide sous pression et ont provoque la dissipation de l'énergie thermique accumulée dans ledit corps solide pour obtenir ladite pièce mécanique.

Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans le refroidissement provoqué du corps solide tout en le maintenant sous pression. De la sorte, le corps solide est maintenu dans sa géométrie et ses dimensions grâce à la pression qui lui est appliquée et ce, durant toute l'étape de refroidissement. En outre, le procédé selon l'invention permet d'empêcher l'apparition des défauts liés au refroidissement, ce qui permet d'envisager la fabrication de pièces massives

Préférentiellement, le matériau métallique pulvérulent fourni est constitué de grains d'un matériau métallique pulvérulent à bas point de fusion, par exemple à une température inférieure à 800 °C. Des alliages à base de cuivre peuvent ainsi être mis en œuvre par le procédé selon l'invention. Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, on agglomère sous pression ladite quantité donnée dudit matériau métallique pulvérulent à l'intérieur d'une cavité de symétrie cylindrique. Grâce à une cavité cylindrique, il est aisé d'entraîner en translation un poinçon à l'intérieur, pour venir compacter et agglomérer le matériau métallique pulvérulent.

En outre, et selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse, on porte ledit seul corps solide à l'intérieur d'une autre cavité pour pouvoir dissiper ladite énergie thermique accumulée. Grâce au transfert du corps solide d'une cavité relativement chaude, vers une cavité relativement froide, il est possible de faire chuter plus brutalement la température du corps solide et ainsi figer les cotes de celui-ci. Selon une autre variante de réalisation, la dissipation d'énergie thermique accumulée dans le corps solide, est réalisée dans ladite une cavité.

Dans le but de simplifier le transfert du corps solide, on l'entraîne en translation de ladite une cavité de symétrie cylindrique vers ladite autre cavité présentant une même symétrie cylindrique. Et comme on l'expliquera ci-après, en portant les deux cavités de symétrie cylindrique dans le prolongement l'une de l'autre, le transfert est d'autant plus facilité.

De plus, préférentiellement, on agglomère sous pression ladite quantité donnée dudit matériau métallique pulvérulent à l'intérieur de ladite une cavité entre deux parois opposées. De la sorte, il est plus aisé de fournir une grande quantité d'énergie cinétique à la poudre de matériau métallique agglomérée et provoquer ainsi conjointement avec l'énergie thermique initiale, le soudage des grains de matériau métallique entre eux.

Selon un autre objet, la présente invention propose un ensemble de production de pièce mécanique par frittage de matériau métallique pulvérulent présentant des grains, ledit matériau métallique pulvérulent présentant une température de fusion déterminée, ledit ensemble comprenant d'une part une matrice présentant une cavité apte à recevoir une quantité donnée de matériau métallique pulvérulent et d'autre part un poinçon pour pouvoir agglomérer sous pression ladite quantité donnée dudit matériau métallique pulvérulent, ladite matrice comportant un dispositif de chauffage pour pouvoir fournir de l'énergie thermique à ladite quantité donnée de matériau métallique pulvérulent et la porter à une température donnée inférieure à ladite température de fusion, ledit ensemble comprenant en outre un dispositif de frappe dudit poinçon pour pouvoir choquer ladite quantité donnée de matériau métallique pulvérulent agglomérée et portée à ladite température donnée, de façon à pouvoir souder entre eux les grains dudit matériau métallique pulvérulent de façon à obtenir un seul corps solide. Selon l'invention, l'ensemble comprend en outre un échangeur thermique pour provoquer la dissipation de l'énergie thermique accumulée dans ledit corps solide, tandis que ledit poinçon maintient ledit seul corps solide sous pression de manière à obtenir ladite pièce mécanique.

Ainsi, grâce à l'échangeur thermique, lequel est situé autour du corps solide, on provoque la dissipation de l'énergie thermique qu'il a accumulée à la fois durant la phase de chauffage et au cours des chocs.

De plus, l'ensemble de productions selon l'invention comprend un outre un contre-poinçon apte à venir coaxialement en regard dudit poinçon. De la sorte, on forme deux parois opposées aptes à venir agglomérer et comprimer le matériau métallique pulvérulent avec une meilleure efficacité mécanique.

Préférentiellement, ladite une cavité présente une symétrie cylindrique. De la sorte, le poinçon et le contre-poinçon peuvent y être entraînés en translation coaxialement en regard l'un de l'autre. Partant, le corps solide est maintenu en pression entre le poinçon et le contre-poinçon, tandis qu'il s'appuie radialement contre la paroi de la cavité de la matrice, grâce à l'effet de la pression. Aussi, le corps solide peut être entraîné en translation axialement à l'intérieur de la cavité.

Selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, ledit échangeur thermique définit une autre cavité présentant une même symétrie cylindrique, et ledit échangeur est apte à être relié à ladite matrice de façon que ladite autre cavité vienne s'ajuster dans le prolongement de ladite une cavité. De plus, le poinçon et le contre-poinçon sont aptes à venir traverser ladite autre cavité. De la sorte, le mouvement coaxial en translation du poinçon et du contre-poinçon entre lesquels est maintenu le corps solide, permet d'entraîner ce dernier à l'intérieur de ladite autre cavité. Ainsi, le corps solide est entraîné de la cavité de la matrice, chaude, vers la cavité de l'échangeur thermique, froide. Partant, la température du corps solide peut être abaissée brutalement tout en le maintenant en pression entre le poinçon et le contre- poinçon à l'intérieur de ladite autre cavité.

Avantageusement, ledit échangeur thermique présente deux demi- coquilles aptes à former ladite autre cavité. Les deux demi-coquilles sont ajustées en regard l'une de l'autre et elles sont mobiles transversalement entre une position écartée l'une de l'autre et une position rapprochée l'une de l'autre ou elles forment alors ladite autre cavité dans le prolongement de ladite une cavité de la matrice.

En outre, ledit échangeur thermique comporte, préférentiellement, des canaux de circulation d'un fluide caloporteur. Ceux-ci sont ménagés dans les deux demi-coquilles et notamment au voisinage des parois formant ladite autre cavité. On expliquera plus en détail dans la suite de la description l'agencement des canaux de circulation à travers l'échangeur thermique.

D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- les Figures 1 A-1 D sont des vues schématiques partielles d'un ensemble de production d'une pièce mécanique par frittage dans les différentes phases du procédé de mise en œuvre ;

- la Figure 2A est une vue schématique de dessus d'un élément de l'ensemble de production représenté sur la figure 1 D; et,

- la Figure 2B est une vue schématique en perspective d'un élément représenté sur la figure 2A.

Le procédé de production selon l'invention et l'ensemble de production permettant de le mettre en œuvre sont adaptés aux matériaux métalliques pulvérulents. Avantageusement, ils sont adaptés aux matériaux métalliques pulvérulents présentant une température de fusion sensiblement inférieure à 800 °C. Aussi, les alliages métalliques de bas point de fusion peuvent être mises en œuvre par un tel procédé. On se référera aux figures 1 A à 1 D pour décrire en détail schématiquement les éléments essentiels d'un outillage et les différentes étapes du procédé de compaction selon l'invention.

La figure 1 A illustre schématiquement une matrice 10 présentant un orifice cylindrique traversant de symétrie circulaire 12. La matrice 10 est équipée d'un dispositif de chauffage non représenté. Selon une première variante, on insère des cartouches chauffantes fonctionnant par effet Joule à travers la matrice 10. Selon une autre variante, on ménage des canaux de circulation d'un fluide caloporteur chaud à travers la matrice 10 pour venir la chauffer. Selon encore une autre variante, des moyens de chauffage par induction sont mis en œuvre. La matrice 10 est équipée d'un contre-poinçon 14 partiellement engagé dans la partie inférieure de la matrice 10 à travers l'orifice cylindrique 12 en définissant une cavité ouverte 16 à l'intérieur de la matrice 10. L'extrémité supérieure du contre-poinçon 14 est équipée d'un disque d'étanchéité inférieur 18 formant une paroi plane inférieure de la cavité 16. Le disque d'étanchéité inférieur 18 permet de fermer l'extrémité inférieure de l'orifice cylindrique 12, et partant de la cavité 16, de manière étanche.

De plus, la figure 1 A illustre un poinçon 19 situé en regard de la cavité 16 et à distance de la matrice 10. Le poinçon 19 présente une section identique à celle du contre-poinçon 14 et est positionné coaxialement. Par ailleurs, le contre-poinçon 14 et le poinçon 19 sont également portés en température par des moyens de chauffage non représentés. Ils peuvent être chauffés par des colliers chauffants et/ou par un système de coquilles mobiles comprenant des cartouches chauffantes, lesquelles coquilles mobiles viennent enserrer l'extrémité active des poinçons.

Dans une première phase du procédé, on introduit le matériau métallique pulvérulent 20, par exemple un alliage de cuivre, à l'intérieur de la cavité 16 sur le disque d'étanchéité 18. Par exemple, on verse 60 g de poudre dudit alliage à l'intérieur de la cavité 16. Au préalable, la poudre métallique est portée, par exemple dans une étuve, à une température voisine de 700 °C. Au surplus, la matrice 10 et les parties du poinçon 19 et du contre-poinçon 14 en contact avec le matériau métallique, sont portées à température, grâce à des dispositifs de chauffage et de régulation thermique propres. Dans une deuxième phase du procédé, illustrée sur la figure 1 B, on introduit le poinçon 19 A l'intérieur de la cavité 16, et on vient, selon une première séquence, pré-compacter le matériau métallique pulvérulent 20 de manière à en chasser l'air. Aussi, le poinçon 19 est dépourvu de disque d'étanchéité, et ainsi, l'air s'échappe entre la paroi de la cavité 16 et le poinçon 19 lui-même. L'effort exercé par le poinçon 19 sur le matériau métallique pulvérulent 20 est ici de 5 tonnes pendant une durée comprise par exemple entre une et cinq secondes.

Dans une seconde séquence, le poinçon 19 est extrait de la cavité 16 et on l'équipe d'un disque d'étanchéité supérieur 22 pour venir pré-compacter à nouveau le matériau métallique pulvérulent 20. Aussi, la cavité 16 renfermant le matériau métallique pulvérulent 20 est-elle étanche. Cette seconde séquence est d'une durée de 30 secondes par exemple et l'effort exercé par le poinçon 19 est d'environ 10 tonnes. Durant cette seconde séquence, la température du matériau métallique pulvérulent 20 s'homogénéise et se porte au voisinage de la température de travail fixé à 1 18 °C.

Dans une troisième phase, illustrée sur la figure 1 C, où l'on vient fritter précisément la poudre métallique 20, le poinçon 19 est alors soumis à des impacts.

Dans l'exemple présenté ici, l'énergie d'impact est de l'ordre de 1680 J et on porte 40 impacts. De la sorte, les grains de poudre métallique 20 atteignent localement le point de fusion du matériau ce qui a pour effet de venir former une seule phase commune entre les grains. L'apparition de la phase fondue apparaît préférentiellement aux joints de grains lors des premiers impacts puis la proportion de cette phase augmente alors au fur à mesure des impacts. Et ainsi, l'ensemble se consolide durant la phase de refroidissement illustré sur la figure 1 D. On obtient de la sorte un corps solide 23 d'une seule pièce.

Cette dernière figure illustre en effet tous les éléments illustrés sur les figures précédentes et au surplus un échangeur thermique 24 surmontant la matrice 10.

On se référera tout d'abord aux figures 2A et 2B représentant en détail l'échangeur thermique 24 avant de décrire plus en détail la figure 1 D. La figure 2A illustre l'échangeur thermique 24 vu de dessus avec en transparence, des canaux de circulation d'un fluide caloporteur 26. L'échangeur thermique 24 présente deux demi-parties 28, 30 symétriques l'une de l'autre par rapport à un plan axial P. Les demi-parties 28, 30 présentent respectivement des faces frontales 32, 34, dans lesquelles sont ménagées deux évidements 36, 38 de symétrie cylindrique formant deux demi-coquilles. Ainsi, les deux demi-coquilles 36, 38 définissent une cavité de refroidissement 40 de symétrie cylindrique de révolution.

On retrouve sur la figure 2B, en vue arrière de trois quarts l'une des deux demi-parties 30 de l'échangeur thermique 24. Apparaissent ainsi la face frontale 34, située dans une partie frontale 41 , laquelle est opposée à une partie arrière 43, et la demi-coquille formée par l'évidement 38 ménagée dans la face frontale 34.

Apparaissent également clairement à travers le corps de la demi-partie 30 de l'échangeur thermique 24, les canaux de circulation 26 du fluide caloporteur. Celui-ci est par exemple de l'eau froide. Ils sont ainsi divisés en deux branches opposées 42, 44 qui se rejoignent au niveau de la partie frontale 41 à travers un réseau 46 de conduits formant un écran réfrigérant dans l'épaisseur de la partie frontale 41 autour de l'évidement 38. De manière symétrique, l'autre demi-partie 28 présente les mêmes caractéristiques.

Ainsi, le fluide froid est injecté dans la branche 42 et s'écoule au niveau de la partie frontale 41 à travers le réseau 46 de conduits formant l'écran réfrigérant autour de l'évidement 38 qui sera en contact direct avec la pièce à refroidir. Ce réseau est défini de façon à maximiser la surface d'échange thermique au plus proche de la pièce et pour pouvoir ainsi évacuer le maximum de calories. Le fluide ressort alors par la branche 44 opposée à la branche 42. Ce fluide pourra avantageusement être réintroduit après refroidissement en entrée du circuit par la branche 42 pour constituer un circuit

Ainsi, lorsque les deux demi-parties 28, 30 sont ajustées à force, face frontale 32 contre face frontale 34, elles délimitent ensemble la cavité de refroidissement 40 représentée sur la figure 2A, laquelle présente une section identique à celle de la cavité 16 de la matrice 10 illustrée sur les figures 1 A-1 D. On retrouve sur la figure 1 D, non seulement la matrice 10 mais aussi l'échangeur thermique 24, formé de ses deux demi-parties 28, 30. Sont ici représentées les seules parties frontales 41 , face frontale 36 contre face frontale 38. Ainsi, les parties frontales 41 viennent s'appuyer non seulement latéralement l'une contre l'autre mais aussi axialement sur les bords supérieurs de la matrice 10, de façon que la cavité de refroidissement 40 vienne s'étendre au regard de l'orifice cylindrique 42, dans le prolongement de la cavité 16 de la matrice 10.

De la sorte, à partir de la position du corps solide 23 représenté sur la figure 1 C, situé à l'intérieur de la matrice 10 dans la cavité 16 et pris en étau entre les deux poinçons 14, 19, on vient entraîner le corps solide 23 à l'intérieur de la cavité de refroidissement 40 de l'échangeur thermique 24 en entraînant en translation ensemble les deux poinçons 14, 19.

Ainsi, le corps solide 23 est entraîné de la cavité 16 de la matrice 10, dans la cavité de refroidissement 40 de l'échangeur thermique 24 tandis que la pression exercée par les deux poinçons 14, 19 sur le corps solide 23 demeure. Elle est par exemple portée à 15 tonnes pendant 120 secondes.

L'ensemble de production décrit ici en référence aux figures et permettant d'illustrer le procédé selon l'invention, peut revêtir une autre forme et par exemple, comporter une matrice présentant une pluralité d'empreintes ou cavités associées respectivement à une pluralité de poinçons et contre- poinçons.

D'autres paramètres tels que la pression maintenue sur le corps solide 23 lors du refroidissement et le temps de maintien de la pression permettent d'ajuster également les caractéristiques mécaniques du matériau final.