Procédé pour la fabrication d'objets en métal alumineux en poudre La présente invention concerne la fabrication d'objets à partir de poudre de métal alumineux, ces objets ayant des propriétés supérieures à celles d'ar ticles correspondants fabriqués à partir du métal coulé. Le terme métal alumineux tel qu'on l'uti lise ici se rapporte à la fois à l'aluminium et aux alliages d'aluminium dans lesquels cet élément pré domine. Il est également destiné à couvrir des mé langes de métaux en poudre dans lesquels une poudre d'aluminium ou d'un alliage à base d'aluminium forme le constituant principal.
On a fait de grands progrès au cours des der nières années quant au nombre et à la variété des produits fabriqués à partir de poudres de métal non alumineux, spécialement à partir de poudre de fer. Les produits obtenus présentent des avantages que n'offrent pas des articles similaires faits à partir du métal à l'état solide.
Les produits en poudre étaient de deux types; dans l'un de ces types, on comprime la poudre pour lui donner sa forme finale et, dans l'autre, on produit d'abord un bloc ou une autre forme simple que l'on travaille ou que l'on moule ensuite pour l'amener à la forme finale. Les progrès réalisés dans le domaine des produits en poudre de métal alumineux ont été lents, une raison parmi d'autres étant la difficulté d'assurer une liaison sa tisfaisante entre les particules de métal et l'adhé rence de la poudre aux parois de la matrice de formage.
On a tenté d'utiliser les pratiques appliquées au cours du traitement d'autres métaux en poudres, mais elles se sont souvent révélées infructueuses quand elles étaient appliquées à une poudre de métal alumineux ou bien elles ont abouti à des produits coûteux et non satisfaisants. La présente invention a pour but de surmonter ces difficultés de la technique antérieure.
Elle con cerne un procédé de fabrication d'objets à partir de poudre d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'on forme une masse compacte de ladite poudre en comprimant une masse en vrac de la poudre sous une pression rie dépassant pas 70 kg/cm2 à une température com prise entre 4490 C et la température de liquidus de l'alliage ou le point de fusion de l'aluminium,
jusqu'à ce que la masse comprimée ait atteint une densité égale à au moins 30 % de celle du métal solide, et ensuite on travaille la masse compacte pour lui donner la forme finale.
A la fin de la période de chauffage, après que la densité de la masse comprimée a atteint au moins le 30 % de celle du métal solide, on peut refroidir la masse tassée à la température ambiante ou bien on peut la maintenir à une température élevée en vue d'un travail à chaud, ou bien encore on peut l'amener directement à l'appareil en vue de son tra vail à chaud.
Si la masse tassée a été refroidie jus qu'à la température ambiante, on doit la chauffer à nouveau pour un travail à chaud quelconque. Une atmosphère protectrice n'est pas nécessaire pendant le tassage et le chauffage si la poudre n'est pas ex posée à l'atmosphère du four. Inversement, il peut être désirable d'utiliser une atmosphère protectrice si la poudre n'est pas recouverte ou est en contact avec l'atmosphère du four.
Les poudres de métal alumineux utilisées pour exécuter le procédé selon l'invention peuvent être en paillettes ou être du type atomisé.. On peut ad mettre de grandes variations dans les dimensions des particules, mais les particules ne doivent d'ordinaire pas être supérieures à- celles qui traversent un tamis de 35 mailles (norme américaine). Cependant, pour produire des articles ayant les valeurs de résistance les plus élevées, il est désirable d'utiliser des poudres d'une dimension particulaire très faible, telles que celles qui traversent un tamis de 325 mailles (norme américaine).
Dans certaines circonstances, il est à recommander d'utiliser des poudres de dimensions différentes et de les mélanger soigneusement avant de tasser la masse. Le choix de la forme de la poudre et de la proportion des particules de différentes di mensions est fonction de divers essais effectués dans des cas particuliers.
Le métal en poudre utilisé peut être constitué par de l'aluminium de faible pureté, par exemple 99 0/0, jusqu'à la pureté la plus élevée qu'il soit possible d'atteindre, ou bien il peut être constitué par des particules d'alliage à base d'aluminium, ou encore par un mélange de particules d'aluminium et des éléments d'alliage désirés.
Les éléments que l'on peut ainsi associer avec de l'aluminium, soit sous forme alliée, soit sous forme élémentaire, sont ceux qui sont communément utilisés dans la technique des alliages à base d'aluminium, par exemple le cuivre, le magnésium, le silicium, le zinc, le man ganèse, le fer et certains éléments à point de fusion élevé.
Ils peuvent être présents en des quantités nor malement utilisées dans les alliages de métaux à l'état solide, par exemple, jusqu'à 10 % de cuivre, jusqu'à 15 % de silicium,
jusqu'à 10 % de zinc et jusqu'à 10 % de magnésium. Des éléments à point de fusion élevé tels que le titane, le bore et le zirco nium peuvent également être utilisés en des quantités allant jusqu'à 0,
5 %. Il peut être nécessaire ou dési- rable de soumettre l'alliage tassé ou le produit ulté rieur à un traitement thermique particulier pour assurer la diffusion des éléments d'alliage dans la matrice en aluminium, avec ou sans traitement ulté rieur assurant la précipitation et le durcissement.
En plus de l'aluminium et des éléments d'alliage, il existe une certaine quantité d'oxyde d'aluminium dans la poudre et les produits fabriqués à partir de celle-ci. II se forme un revêtement d'oxyde naturel sur les particules de métal alumineux après exposition à l'air en raison du caractère oxydable de l'alumi nium. La quantité d'oxyde par unité de poids du métal devient plus importante lorsque la dimension des particules diminue. On a constaté que la pré sence de l'oxyde est avantageuse, spécialement lors que le produit doit être soumis en service à des tem pératures élevées.
II est même parfois désirable de favoriser l'oxydation pendant la préparation de la poudre pour augmenter sa teneur en oxyde et amé liorer de ce fait certaines propriétés des produits tassés. La quantité d'oxyde présent peut varier entre des limites écartées, selon les propriétés recherchées, mais elle est habituellement comprise entre environ 0,1 et 30 % en poids de la poudre.
Pour préparer la masse tassée initiale, on intro duit, par exemple, une charge de poudre dans une chambre ou matrice qui est fermée par un piston ou autre élément de fermeture coulissant s'ajustant étroitement. Lorsqu'on désire obtenir un rendement élevé, un agencement approprié consiste à prévoir une série de récipients que l'on peut remplir sépa rément à la température et sous la pression ordi naires, ces récipients comportant un piston ou un autre dispositif de fermeture s'ajustant sur l'extrémité ouverte. On peut alors appliquer une pression appro priée sur le piston ou sur l'élément de fermeture avant que le récipient pénètre dans la chambre de chauffage, ou bien on peut appliquer la pression après que le récipient fermé a été introduit d'ans le four.
Dans certains cas, il suffit de placer un poids sur le piston ou autre organe de fermeture et de laisser le poids en position jusqu'à ce que les phases de chauffage et de refroidissement soient terminées. Evidemment, l'élément de fermeture coulissant peut avoir une masse suffisante par lui-même pour assu rer l'application du poids et de la pression nécessaires sur la charge de poudre.
Dans une variante, on utilise un piston déplacé par une force motrice ou chargé par un ressort. Etant donné que la pression est de l'ordre faible indiqué, elle peut être exercée par un dispositif simple et, de ce fait, ne nécessite pas l'utilisation de presses spéciales et d'appareil créant des pressions élevées. Ceci représente une économie considérable dans la production des masses compactes de poudre.
L'importance de la pression nécessaire pour amener la masse de poudre à l'état solide est rela tivement basse, beaucoup moins grande que celle qui est nécessaire pour l'extrudage ou que celle que l'on considérait antérieurement comme possible dans la technique des métaux alumineux en poudre. On a constaté que des pressions aussi faibles que seule ment quelques dizaines de grammes au centimètre carré et pouvant atteindre 70 kg/cm2 conviennent pour produire le tassement nécessaire de la poudre lorsque la température est comprise dans la gamme mentionnée. De préférence, la pression est comprise entre 0,35 et 56 kg/cm2.
Pendant qu'elle est soumise à la pression précitée, la charge de poudre doit être chauffée à une tempé rature qui assure le recuit, le fluage du métal et une soudure partielle des particules de métal. Des tem pératures comprises entre 4501, C et la température de liquidus de l'alliage ou le point de fusion de l'aluminium (qui est généralement considéré comme étant de 660,, C) sont utilisées. D'une manière géné rale, si la température est dans la partie inférieure de la gamme, une période de chauffage plus grande et une pression plus élevée sont nécessaires.
Cepen dant, pour assurer les meilleurs résultats, la tempé rature doit être d'au moins 538,)C.
Le chauffage de la poudre sous pression doit se poursuivre pendant un temps suffisant pour ame ner la masse à un état solide jusqu'au point où la masse compacte atteint une densité égale à au moins 301% de la densité du métal à l'état solide. On préfère habituellement une densité plus élevée,
de l'ordre de 50 % ou plus, pour assurer l'intégrité de la masse compacte. En général, on peut obtenir le degré de tassement désiré en un temps plus court dans la portion supérieure de la gamme de tempé ratures et avec des pressions supérieures à environ 7 kg/cm2. En outre, on doit tenir compte de la di mension de la masse tassée lorsqu'on choisit un temps et une température appropriés.
En fonction d'un temps donné, la période de chauffage peut être comprise entre un quart d'heure et trente-six heures.
Lorsque la masse compacte de poudre a atteint la densité désirée, on arrête le chauffage et on peut refroidir la masse compacte à une température beau coup plus basse ou bien on peut la maintenir à une température élevée et la travailler alors à chaud. On peut maintenir la pression pendant la période de refroidissement ou la faire cesser. Si on refroidit la masse compacte à la température ambiante, on peut la racler en surface pour supprimer tout défaut de surface et la chauffer à nouveau jusqu'à la tempé rature de travail à chaud. Une masse compacte réa lisée conformément au procédé de l'invention est suffisamment ferme pour supporter les opérations de manutention et d'usinage.
Si, au lieu d'être re froidie, la masse compacte est destinée à être tra vaillée à chaud après son enlèvement du récipient, on peut la transférer dans une presse à extruder ou à forger ou dans un autre dispositif de travail à chaud, puis lui donner ensuite la forme désirée. Dans certains cas, il peut être désirable de placer la masse compacte chaude dans un four de réchauffage avant d'exécuter le travail à chaud.
On a constaté que les masses compactes initiales de métal alumineux produites par le procédé à basse pression précité ont une densité et une cohésion suffisantes pour supporter les opérations habituelles de manutention inhérentes au raclage, au chauffage, à l'extrudage et au forgeage. Les particules de métal alumineux deviennent liées au moins partiellement les unes aux autres pendant l'opération de tassage à basse pression, et une adhérence supplémentaire est assurée par le travail à chaud ultérieur.
Pour le travail à chaud, la masse compacte est de préférence à une température de 316o à 627o C, la température précise choisie étant fonction, en partie, de la nature de l'opération et de la compo sition de la masse compacte. Par exemple, pour forger une masse compacte, la température doit être de 371,, à 427 C.
D'autre part, pour l'extrudage, la température doit être comprise entre 3710 et 6270C. Pour fabriquer les masses compactes, on peut faire appel aux moyens mis en oeuvre pour le travail à chaud de l'aluminium, ce qui est évidemment avan tageux.
A la suite du travail à chaud, on peut travailler le produit à froid, si on le désire.
L'un des avantages que l'on tire de l'utilisation de faibles pressions pour tasser une poudre de métal alumineux est que la masse tassée est suffisamment poreuse pour permettre l'échappement de toute subs tance volatile dégagée pendant le passage à l'état solide. Ceci est important, étant donné que certaines poudres d'aluminium sont broyées en même temps que des hydrocarbures volatils, et il est coûteux, sinon dangereux, de sécher le produit en poudre avant de le tasser.
Le procédé selon l'invention est illustré par les exemples suivants <I>Exemple 1</I> Dans un tube en graphite de 16,5 cm de dia mètre interne et de 121,90 cm de longueur, on in troduit sur une hauteur de 91,45 cm une charge de poudre d'aluminium du type en paillettes constituée par 98 % de particules de moins de 325 mailles d'une pureté de 99,
5 %, sans tenir compte de l'oxyde. On place sur le dessus de la charge de poudre un disque de graphite s'ajustant étroitement et on place un poids sur le disque, ce qui crée une pression de 3,8 kg/cm2 sur la poudre. On place le tube conte nant la charge dans une position verticale dans un four à atmosphère d'air et on chauffe jusqu'à 640o C pendant une demi-heure. On refroidit ensuite le tube et son contenu à la température ambiante dans le four et on éjecte la masse compacte de poudre hors du tube.
On constate que la masse compacte ainsi formée a une densité de 1,6 g/cm3, soit 59 % de celle du métal à l'état solide. On racle la masse compacte, on la chauffe à nouveau jusqu'à 4820 C et on l'extrude sous forme d'une tige de 19 mm de diamètre ayant une structure dense uniforme.
Des échantillons coupés à partir de la tige ont, à la température ambiante, une résistance à la trac tion de 25,20 kg/mm2, une limite d'élasticité de 16,87 kg/mm2 et un allongement de 15 %. D'autres échantillons chauffés à 3160 C pendant mille heures et soumis à des essais à cette température ont une résistance à la traction de 11,25 kg/mm2, une limite d'élasticité de 10,
55 kg/mm2 et un allongement de 17 0/0. A titre de comparaison, on mentionne qu'une feuille d'aluminium d'une pureté de 99,2 % de la trempe la plus dure, connue sous le nom de H 18, présente les propriétés typiques suivantes à la température ambiante : résistance à la traction, 16,88 kg/mm2 ; limite d'élasticité, 15,47 kg/mm2 ;
enfin, allongement 5 %. A 3161, C, les propriétés typiques de la même matière sont les suivantes résistance à la traction, 1,75 kg/mm2 ;
limite d'élas- ticité, 1,05 kg/me, et allongement 90 %. <I>Exemple 2</I> Dans un tube de graphite ayant les mêmes di mensions que celui de l'exemple 1, on place une charge de poudre d'aluminium atomisée d'une pureté de 99,
5 % et constituée par 100 0/0 de particules inférieures à 325 mailles, sur une hauteur de 91,4 cm. On place un disque en graphite dans le cylindre et il se crée une pression de 3,8 kg/me sur la poudre, de la même manière que dans l'exemple 1. On chauffe le tube chargé et placé verticalement dans un four à atmosphère d'air jusqu'à une température de 6380 C et on le maintient à cette température pendant un quart d'heure.
Après refroidissement à la température ambiante dans le four, on éjecte la masse compacte hors du tube et on détermine sa densité qui est de 1,2 g/cm3 ou 45 % de celle du métal à l'état solide. On racle la masse compacte, on la chauffe à nouveau à 4820 C et on l'extrude sous forme de tiges. L'examen d'une tige révèle qu'elle a une structure dense uniforme.
A la tempé rature ambiante, des échantillons coupés à partir de la tige ont une résistance à la traction de 19 kg/mm2, une limite d'élasticité de 11,95 kg/me et un allongement de 25 %. Après les avoir chauffés à 316 C pendant cent heures, on soumet aux essais d'autres échantillons de la tige à cette température et on détermine qu'ils ont une résistance à la trac tion de 8,44 kg/mm2,
une limite d'élasticité de 7,03 kg/mm2 et un allongement de 18 %.