FR2681811A1 - PROCESS FOR MANUFACTURING WORKPIECES. - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication de pièces ouvrées selon lequel on mélange des particules, notamment des poudres, des fibres ou des mélanges de poudre et de fibres, avec un liant cryogénique, on met en forme le mélange obtenu et on élimine ledit liant cryogénique.Method for manufacturing workpieces according to which particles, in particular powders, fibers or mixtures of powder and fibers, are mixed with a cryogenic binder, the mixture obtained is shaped and said cryogenic binder is eliminated.
Description
PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES OUVREESPROCESS FOR MANUFACTURING WORKPIECES
La présente invention concerne un procédé de préparation de The present invention relates to a process for the preparation of
pièces ouvrées mettant en oeuvre un liant cryogénique. fabricated parts using a cryogenic binder.
La fabrication de pièces ouvrées, notamment de pièces en céramiques, métaux ou produits carbonés, peut se faire par mise en forme de particules, par exemple par filage, injection dans un moule, The manufacture of fabricated parts, in particular of parts made of ceramics, metals or carbon products, can be done by shaping particles, for example by spinning, injection into a mold,
pressage ou extrusion.pressing or extrusion.
Les procédés utilisés jusqu'à présent pour fabriquer ces pièces consistent, en un premier temps, à mélanger des particules, sous forme de poudres et/ou de fibres, avec un corps thermoplastique tels la paraffine, des cires, du polystyrène et, éventuellement, certains adjuvants Le corps thermoplastique joue le rôle d'un liant, et a pour but de conférer une tenue mécanique aux particules, de sorte à permettre leur manipulation en vue de leur mise en forme Après mise en forme, la pièce obtenue doit subir un traitement destiné à éliminer le corps thermosplastique Ensuite, la pièce peut être traitée The processes used until now to manufacture these parts consist, firstly, of mixing particles, in the form of powders and / or fibers, with a thermoplastic body such as paraffin, waxes, polystyrene and, optionally, certain additives The thermoplastic body plays the role of a binder, and aims to impart mechanical resistance to the particles, so as to allow their manipulation with a view to their shaping. After shaping, the part obtained must undergo a treatment. intended to eliminate the thermosplastic body Then the part can be treated
thermiquement, par exemple, elle peut être frittée. thermally, for example, it can be sintered.
Ces procédés classiques de fabrication de pièces, mettant en oeuvre un corps thermoplastique en tant que liant, présentent de nombreux inconvénients Ainsi, en raison des mauvaises qualités dispersantes des corps thermoplastiques, il est difficile de réaliser un mélange parfaitement homogène entre ce type de liant et les particules Ces dernières, en particulier quand elle se présentent These conventional methods of manufacturing parts, using a thermoplastic body as a binder, have many drawbacks. Therefore, due to the poor dispersing qualities of the thermoplastic bodies, it is difficult to produce a perfectly homogeneous mixture between this type of binder and the latter particles, especially when they arise
sous forme de poudres, doivent être parfaitement désagglomérées. in the form of powders, must be perfectly disagglomerated.
L'élimination du corps thermoplastique, ou déliantage, doit se faire par un traitement thermique très long, qui peut prendre jusqu'à 72 heures, ce qui bien entendu nuit grandement à la productivité du procédé Une telle durée est cependant nécessaire si l'on veut éviter la déformation de la pièce sous l'action des contraintes associées aux tensions interfaciales liquide/gaz du corps thermoplastique, induisant l'apparition de fissures. L'élimination du corps thermoplastique peut entraîner la formation de résidus de décomposition, notamment des goudrons Ces derniers peuvent entraîner une migration des additifs de frittage vers la surface de la pièce, ce qui nuit au frittage proprement dit de la pièce Pour éviter cet inconvénient, on peut généralement procéder à The elimination of the thermoplastic body, or debinding, must be done by a very long heat treatment, which can take up to 72 hours, which of course greatly affects the productivity of the process. Such a duration is however necessary if wants to avoid the deformation of the part under the action of the stresses associated with the interfacial tensions liquid / gas of the thermoplastic body, inducing the appearance of cracks. The elimination of the thermoplastic body can lead to the formation of decomposition residues, in particular tars. The latter can lead to a migration of the sintering additives towards the surface of the part, which affects the actual sintering of the part. To avoid this drawback, we can usually do
l'élimination du corps thermoplastique sous atmosphères oxydantes. elimination of the thermoplastic body under oxidizing atmospheres.
Toutefois, de telles atmosphères empêchent l'utilisation de particules craignant l'oxygène Enfin, les corps thermoplastiques ne peuvent en However, such atmospheres prevent the use of particles fearing oxygen Finally, the thermoplastic bodies cannot
aucun cas être recyclés en vue de leur réutilisation comme liant. in no case be recycled for reuse as a binder.
La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces obviant aux inconvénients des procédés classiques Plus particulièrement, l'invention permet d'éliminer très rapidement le liant auquel sont mélangées les particules, sans crainte de déformations ou de fissures de la pièce, n'entraîne par la formation de résidus de décompositions dans la pièce, ne nécesssite pas une désagglomération poussée des particules, et permet éventuellement de The present invention relates to a method for manufacturing parts which obviate the drawbacks of conventional methods. More particularly, the invention makes it possible to very quickly remove the binder to which the particles are mixed, without fear of deformations or cracks in the part, resulting in by the formation of decomposition residues in the room, does not require extensive deagglomeration of the particles, and possibly allows
recycler le liant en vue d'opérations de fabrication ultérieures. recycle the binder for further manufacturing operations.
L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces ouvrées caractérisées en ce qu'on mélange des particules avec un liant cryogénique, on met en forme le mélange obtenu et on élimine ledit The invention relates to a process for manufacturing workpieces, characterized in that particles are mixed with a cryogenic binder, the mixture obtained is shaped and the said mixture is eliminated.
liant cryogénique.cryogenic binder.
Dans le cadre de la présente invention, lesdites particules sont principalement des poudres, des fibres ou des mélanges de poudres ou In the context of the present invention, said particles are mainly powders, fibers or mixtures of powders or
de fibres.fiber.
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Ces particules sont généralement de nature minérale métallique ou non métallique Selon la nature de la pièce à fabriquer, ces particules peuvent être des pigments, comme l'oxyde de titane, des matières céramiques comme les alumines, les aluminates, les silices, les silicates, les aluminosilicates telles les argiles, des métaux comme le fer, le cerium, les terres rares, ou les métaux de transition tels le cobalt, le nickel, de la ferrite, des nitrures tel le nitrure de silicium, du carbone ou du graphite, ou des carbures tels les These particles are generally of metallic or non-metallic mineral nature. Depending on the nature of the part to be manufactured, these particles can be pigments, such as titanium oxide, ceramic materials such as aluminas, aluminates, silicas, silicates, aluminosilicates such as clays, metals such as iron, cerium, rare earths, or transition metals such as cobalt, nickel, ferrite, nitrides such as silicon nitride, carbon or graphite, or carbides such as
carbures de bore ou de silicium.boron or silicon carbides.
La taille des particules doit être suffisamment petite pour être facilement agglomérées Si les particules se présentent sous forme de poudre, leur granulométrie est de préférence inférieure à 100 um The particle size must be small enough to be easily agglomerated. If the particles are in the form of a powder, their particle size is preferably less than 100 μm.
plus préférentiellement comprise entre 0,1 et 10,m. more preferably between 0.1 and 10, m.
Si les particules se présentent sous forme de fibres, leur longueur est de préférence comprise entre 10 pm et à 0,5 mm, plus préférentiellement entre 10 Mm et 0,1 mm, et leur diamètre est compris de préférence entre l Mm et 0,1 mm, plus préférentiellement entre 1 Mm et 50 pm Dans le cadre de la présente invention, on entend par liant cryogénique un produit ou un mélange de produits, dont la viscosité est suffisante pour lier ou agglomérer entre elles les particules telles que définies ci-dessus, et dont l'un au moins des constituants est un gaz solide et/ou liquide Dans le cadre de la présente invention, on entend par gaz solide et/ou liquide un corps qui est sous forme gazeuse à des températures et pressions normales ( 10-30 'C et pression atmosphérique ou voisine de la pression atmosphérique) et sous forme solide ou liquide dans les conditions de température et de pression mises en oeuvre Généralement, un liant cryogénique selon l'invention, présente une viscosité supérieure à 100 m Pa s, de préférence comprise entre 300 et 1 000 m Pa S à la température et la If the particles are in the form of fibers, their length is preferably between 10 μm and 0.5 mm, more preferably between 10 mm and 0.1 mm, and their diameter is preferably between 1 mm and 0, 1 mm, more preferably between 1 mm and 50 μm Within the framework of the present invention, the term “cryogenic binder” is understood to mean a product or a mixture of products, the viscosity of which is sufficient to bind or agglomerate between them the particles as defined above. above, and at least one of the constituents of which is a solid and / or liquid gas. In the context of the present invention, the term solid and / or liquid gas means a body which is in gaseous form at normal temperatures and pressures ( 10-30 ° C and atmospheric pressure or close to atmospheric pressure) and in solid or liquid form under the temperature and pressure conditions used Generally, a cryogenic binder according to the invention has a vi haze greater than 100 m Pa s, preferably between 300 and 1000 m Pa S at temperature and
pression de mise en oeuvre.processing pressure.
A titre de liant cryogénique, on peut citer les laits cryogéniques, constitués par un mélange entre un corps solide et un corps liquide de même nature ou de nature différente et qui, dans des conditions de température et de pression normales, sont à l'état gazeux Un lait cryogénique convenable peut être constitué par un mélange de neige carbonique et d'un gaz liquéfié, de préférence By way of cryogenic binder, mention may be made of cryogenic milks, constituted by a mixture between a solid body and a liquid body of the same or different nature and which, under normal temperature and pressure conditions, are in the state gaseous A suitable cryogenic milk can consist of a mixture of carbon dioxide snow and a liquefied gas, preferably
l'azote liquide.liquid nitrogen.
La rhéologie d'un tel lait cryogénique peut être contrôlée par le The rheology of such cryogenic milk can be controlled by the
rapport pondéral entre la neige carbonique et le gaz liquéfié. weight ratio between dry ice and liquefied gas.
On peut également citer le slush d'hydrogène constitué par un mélange Mention may also be made of the hydrogen slush constituted by a mixture
d'hydrogène solide et d'hydrogène liquide. solid hydrogen and liquid hydrogen.
Un liant cryogénique préféré selon l'invention est constitué par un mélange de dioxyde de carbone solide et d'au moins un solvant organique Le dioxyde de carbone peut se présenter sous forme de neige carbonique ou de glace carbonique pilée Le solvant organique présente avantageusement d'une part, un point de fusion inférieur ou égal au point de sublimation du dioxyde de carbone, et d'autre part, un point de liquéfaction supérieur au point de sublimation du dioxyde de carbone, ceci dans les conditions de mise en oeuvre du procédé de l'invention. A titre de solvant organique, on peut citer les éthers, de préférence le diéthyle éther, les cétones, de préférence l'acétone, A preferred cryogenic binder according to the invention consists of a mixture of solid carbon dioxide and at least one organic solvent. The carbon dioxide can be in the form of dry ice or crushed dry ice. The organic solvent advantageously has on the one hand, a melting point lower than or equal to the sublimation point of carbon dioxide, and on the other hand, a liquefaction point higher than the sublimation point of carbon dioxide, this under the conditions of implementation of the process of the invention. As organic solvent, mention may be made of ethers, preferably diethyl ether, ketones, preferably acetone,
les alcools et les esters.alcohols and esters.
Selon la viscosité que l'on veut obtenir, on fait varier la Depending on the viscosity that we want to obtain, we vary the
proportion entre le dioxyde de carbone solide et le solvant organique. proportion between solid carbon dioxide and organic solvent.
Généralement, on utilise de 10 à 50 % en poids de solvant par rapport au poids total du liant cryogénique Un tel liant cryogénique est préparé par simple mélange du dioxyde de carbone solide et du solvant organique, dont la température est préalablement portée à une valeur comprise entre le point de fusion dudit solvant et la température de sublimation du dioxyde de carbone, dans les conditions de pressions mises en oeuvre Habituellement, la pression utilisée est la pression atmosphérique. Le mélange entre le liant cryogénique et les particules peut se faire par tout moyen conventionnel, par exemple par simple mélange avec une spatule ou dans un malaxeur Ce mélange se fait généralement Generally, 10 to 50% by weight of solvent is used relative to the total weight of the cryogenic binder. Such a cryogenic binder is prepared by simple mixing of solid carbon dioxide and of the organic solvent, the temperature of which is brought up to a value beforehand. between the melting point of said solvent and the sublimation temperature of carbon dioxide, under the pressure conditions used Usually, the pressure used is atmospheric pressure. The mixing between the cryogenic binder and the particles can be done by any conventional means, for example by simple mixing with a spatula or in a mixer. This mixing is generally done
à une température inférieure ou égale à celle dudit liant cryogénique. at a temperature less than or equal to that of said cryogenic binder.
Avantageusement, on réalise le mélange après avoir préalablement refroidi à la température de mélange, les particules et le dispositif dans lequel se fait le mélange Il a été constaté que, d'une manière très avantageuse, le mélange entre le liant cryogénique et les particules, en particulier quand les particules sont de natures Advantageously, the mixing is carried out after having previously cooled to the mixing temperature, the particles and the device in which the mixing is carried out. It has been found that, very advantageously, the mixing between the cryogenic binder and the particles, especially when the particles are natural
différentes, est très homogène.is very homogeneous.
Le rapport pondéral entre le liant cryogénique et les particules est fonction de la nature des produits mis en oeuvre Généralement, ce rapport est compris entre 85/15 et 15/85, de préférence entre 70/30 et /70. Outre le liant cryogénique et les particules, le mélange peut contenir des additifs classiques, adaptés à la nature et aux qualités requises de la pièce à fabriquer A titre d'exemple, si la pièce à fabriquer est une pièce céramique, on peut ajouter au dit mélange des polymères pseudoplastiques et/ou des latex destinés à renforcer se The weight ratio between the cryogenic binder and the particles depends on the nature of the products used. Generally, this ratio is between 85/15 and 15/85, preferably between 70/30 and / 70. In addition to the cryogenic binder and the particles, the mixture may contain conventional additives, adapted to the nature and the qualities required of the part to be manufactured. For example, if the part to be produced is a ceramic part, we can add to the said mixture of pseudoplastic polymers and / or latex intended to reinforce
propriétés mécaniques.mechanical properties.
Le mélange obtenu, on peut alors le mettre en forme par des procédés classiques, parmi lesquels on peut citer l'extrusion, le The mixture obtained can then be shaped by conventional methods, among which mention may be made of extrusion,
pressage, le filage ou le moulage, notamment par injection. pressing, spinning or molding, in particular by injection.
La mise en forme du mélange se fait à une température de préférence inférieure ou égale à celle du liant cryogénique Une fois le mélange mis en forme de pièce, on peut procéder à l'élimination du liant cryogénique Cette élimination peut se faire en amenant la température du mélange mis en forme à une valeur supérieure à la température du liant cryogénique Généralement, on amène la température du mélange à une valeur supérieure à 00 C, plus généralement comprise entre 100 et 300 C Cette remontée en température se fait de préférence en régime d'évaporation lente plutôt qu'en régime d'ébullition Il est particulièrement avantageux de recueillir le mélange mis en forme sur un matériau isolant thermique ou sur un lit de neige carbonique De préférence, le matériau isolant thermique présente une structure poreuse, tels la pierre ponce ou des articles en céramique poreux Cette structure poreuse permet, notamment quand le liant cryogénique est constitué par un mélange de dioxyde de carbone solide et de solvant organique, de drainer ledit solvant organique Au cours de l'élimination, le liant cryogénique peut être récupéré, au moins partiellement, par tout moyen en vue de sa réutilisation En particulier, lorsqu'on recueille le mélange mis en forme sur un matériau isolant thermique présentant une structure poreuse, on peut, le cas échéant, récupérer le solvant organique à sa sortie de la structure poreuse Une fois le liant cryogénique éliminé, au moins partiellement, on peut traiter thermiquement la The shaping of the mixture is done at a temperature preferably lower than or equal to that of the cryogenic binder. Once the mixture is shaped into a part, the cryogenic binder can be eliminated. This elimination can be done by bringing the temperature of the mixture formed to a value greater than the temperature of the cryogenic binder Generally, the temperature of the mixture is brought to a value greater than 00 ° C., more generally between 100 and 300 ° C. This rise in temperature is preferably carried out under a regime of slow evaporation rather than boiling It is particularly advantageous to collect the mixture formed on a thermal insulating material or on a bed of dry ice Preferably, the thermal insulating material has a porous structure, such as pumice or porous ceramic articles This porous structure allows, especially when the cryogenic binder is c constituted by a mixture of solid carbon dioxide and organic solvent, to drain said organic solvent During the elimination, the cryogenic binder can be recovered, at least partially, by any means with a view to its reuse In particular, when the mixture formed is collected on a thermal insulating material having a porous structure, it is possible, if necessary, to recover the organic solvent at its exit from the porous structure Once the cryogenic binder has been eliminated, at least partially, it can be heat treated the
pièce, par exemple la fritter dans des conditions classiques. piece, for example sintering under conventional conditions.
L'invention est à présent illustrée par les exemples suivants The invention is now illustrated by the following examples
Exemple l:Example 1:
On introduit dans un mélangeur préalablement refroidi à une température de 80 'C de la neige carbonique et de l'acétone également à 80 'C On mélange pendant environ deux minutes jusqu'à obtention d'une composition homogène et lisse La vitesse de mélange est d'environ l tour/seconde Puis on introduit dans la composition ainsi obtenue de la poudre d'alumine refroidie à 80 'C de sorte à obtenir un mélange comportant (en poids) acétone: 11,1 % neige carbonique: 44,5 % alumine: 44,4 % On mélange à 1 tour/seconde pendant environ 25 minutes, jusqu'à obtention de granulés d'environ 5 mm de diamètre Ces derniers sont filés sur une presse verticale de force de 50 tonnes, dans un outillage refroidi au préalable à -850 C On obtient des tubes dont le diamètre interne est de 6 mm et le diamètre externe de 8 mm, que l'on recueille dans un lit de neige carbonique Après remontée lente à température ambiante, ces tubes sont frittés pendant 8 heures à Dry ice and acetone are also introduced into a mixer previously cooled to a temperature of 80 ° C. and also at 80 ° C. The mixture is mixed for approximately two minutes until a homogeneous and smooth composition is obtained. The mixing speed is of about 1 revolution / second Then, into the composition thus obtained, alumina powder cooled to 80 ° C. is introduced so as to obtain a mixture comprising (by weight) acetone: 11.1% dry ice: 44.5% alumina: 44.4% Mixed at 1 revolution / second for approximately 25 minutes, until granules of approximately 5 mm in diameter are obtained. These are spun on a vertical press with a force of 50 tonnes, in a tool cooled to prior to -850 ° C. Tubes are obtained, the internal diameter of which is 6 mm and the external diameter of 8 mm, which are collected in a bed of dry ice. After slowly rising to room temperature, these tubes are sintered for 8 hours. at
15000 C.15000 C.
Exemple 2Example 2
On introduit dans un mélangeur préalablement refroidi à 840 C de la neige carbonique et de l'acétone également à 84 C On mélange à 1 tour/seconde pendant environ deux minutes jusqu'à obtention d'une Dry ice and acetone are also introduced at 84 C into a mixer previously cooled to 840 C. It is mixed at 1 revolution / second for approximately two minutes until a
composition homogène et lisse.homogeneous and smooth composition.
Puis on introduit dans cette composition de la poudre de ferrite de strontium 6 H comportant des adjuvants de frittage du type Then introduced into this composition is 6 H strontium ferrite powder comprising sintering aids of the type
bentonite, dont la granulométrie est de 0,8 y Fisher (société Ugimag). bentonite, the particle size of which is 0.8 and Fisher (Ugimag company).
On obtient alors un mélange comportant (en poids) acétone: 10 % neige carbonique: 41 % ferrite: 49 % On mélange à 1 tour/seconde pendant 15 minutes de manière à obtenir une composition homogène, d'aspect pâteux, que l'on file sur une presse identique à celle de l'exemple 1, dont l'outillage est refroidi à 85 C. On obtient alors des barres de 8 mm que l'on recueille dans un lit de neige carbonique Les barres sont frittées, à l'air ventilé, dans les conditions suivantes: montée: 100 C/h jusqu'à 100 C palier: 2 h à 100 C montée: 185 C/h jusqu'à 1250 C palier: i h 30 à 1250 C A mixture is then obtained comprising (by weight) acetone: 10% dry ice: 41% ferrite: 49% It is mixed at 1 revolution / second for 15 minutes so as to obtain a homogeneous composition, of pasty appearance, which is file on a press identical to that of Example 1, the tooling of which is cooled to 85 C. We then obtain 8 mm bars which are collected in a bed of dry ice. The bars are sintered, ventilated air, under the following conditions: rise: 100 C / h up to 100 C level: 2 h at 100 C rise: 185 C / h up to 1250 C level: ih 30 to 1250 C
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