Performances des pièces en métallurgie des poudres frittées sous vide et cémentées en

basse pression

SEMINAIRE BODYCOTE – AIR LIQUIDE

Lyon, les 16 et 17 octobre 2014

Alfred Rallo

ECM Technologies, 46 rue Jean Vaujany, 38100 Grenoble (France)

Sommaire

• Introduction

• MATERIAU et Procédé

• Outil

• Résultats

• Conclusion

INTRODUCTION

Notre partenaire :

Höganäs AB, Suède, est le leader mondial dans la production de poudre pour alliages métalliques avec 300 000 tonnes/an.

● Principal potentiel de croissance :

Pièces frittées pour industrie automobile, notamment les pignons pour transmission mécanique

Besoin de maîtrise des prix et d’accroissement des performances mécaniques des pièces frittées

Besoin de maitrise des couts: illustration

ECM TECHNOLOGIES France, est leader dans le design et la fabrication d’installations modulaires sous vide, avec environ 50% de son marché dans l’industrie automobile.

020406080

100120140160180200 184

160

122

8973 67

48 42 3722 20 18 18 16 16 10 9 9 9 4 3

Nombre de cellules ICBP par pays (de 1991-à aujourd'hui)

Gamme ECM pour la Cémentation Basse Pression

Des solutions adaptées à chaque type de marché.

ICBP® Flex

Multi chamber

ICBP® Jumbo

Multi chamber ICBP® Duo

Double chamber

ICBP® Mono

Single chamber

ICBP® Nano

In line solution

– 2004 : Début des essais sur la plateforme ECM

– 2011 : Investissement d’un four et signature d’un partenariat

• Ambition d’Höganäs :

– Proposer l’ensemble de la solution : alliage, process et solution industrielle;

– Création d’une plateforme complète de démonstration (élaboration, presses, traitement thermique, finition…);

– Optimiser le positionnent des pièces frittées

• Ambitions d’ECM Technologies :

– Proposer l’installation de traitement thermique la plus adaptée à chacune des configurations : déliantage/frittage (ou pas), déshuilage (ou pas), cémentation ou carbonitruration basse pression, trempe au gaz.

Historique et ambition

Fabriquer des pièces frittées de plus haute performance en réduisant les coûts du procédé.

Seulement 4 opérations contre 10 pour des aciers forgés

- Compactage de poudre

- Toutes les étapes dans un seul et même four

Déliantage / Frittage / Cémentation basse pression / Trempe gaz

- Usinage

- Rectification

Le défi

“Le rêve des fabricants de pignons” Fabrication de pièces PM de haute performance, et réduisant les coûts

Source: Getrag Ford

● Démontrer le potentiel des alliages au chrome de poudres métalliques pour de la cémentation

● Evaluer les compositions adéquates de pièces PM pour le frittage à haute température , la cémentation en basse pression, la trempe gaz ;

● Optimiser le frittage sous vide et le processus de cémentation pour obtenir une performance optimale des matériaux.

● Maîtriser l’étape de déliantage ;

● Évaluer la précision dimensionnelle obtenue par rapport à un frittage conventionnel et à une cémentation atmosphérique;

● Démontrer la faisabilité industrielle;

● Déterminer le coût par rapport au traitement thermique classique ;

● Utiliser ce processus pour l'application aux pignons à haute performance

Challenge : Points clés de l’étude commune

MATERIAU et PROCEDE

13 |

Base matériau Mo [%] Cr [%] Graphite [%] Density [g/cm3]

Astaloy 85 Mo 0,85 --- 0,20 – 0,55 7,20

Astaloy CrA --- 1,80 0,20 7,20

Astaloy CrL 0,20 1,50 0,20 7,20

● Höganäs a introduit les alliages Cr en 1998 (Astaloys Cr).

Rappel : le coût de l’alliage au chrome est beaucoup plus faible et plus stable que ceux à éléments d'alliages classiques (cuivre, nickel, molybdène).

● Le chrome a une forte affinité pour l'oxygène et les composants poreux issus de la métallurgie des poudres ne peuvent être cémentés et trempés selon la technique conventionnelle.

● Le frittage à haute température (> 1 250°C) est bénéfique pour améliotrer les propriétés mécaniques des alliages au chrome

Le matériau, données de base

• L'utilisation du procédé de cémentation basse pression permet une cémentation sans formation d’oxydes.

• Très bonne maitrise de la profondeur de cémentation, en particulier les faibles profondeurs ECD (0,2 -0,3 mm), la dureté à cœur est adaptée grâce à la teneur en carbone.

Rappel: La profondeur de cémentation souhaitée est déterminée par les flux et durées des créneaux de C2H2 et le nombre de cycles d’enrichissement et de diffusion. La carbonitruration est possible avec des injections de NH3.

Carb.

Boost

C2H2 Homogenizing

Time under N2

time

Temperature

Final %C

Initial %C

% Carbon (surface)

% C Maximum

(end of carburizing)

% C Minimum

(end of diffusion)

Carb.

Boost

C2H2

Carb

.

Boos

t

C2H

2

Carb.

Boost

C2H2

Diffusion

N2

Diff.

N2

Diff.

N2

Diffusion

N2

Hyd

roc

arb

on

flo

w

N2

flo

w

Cémentation Basse Pression « Infracarb®»

Trempe Huile Trempe Gaz; simple flux

Flex_Reverse gas quenching flow.wmv

Trempe Type de trempe disponible après CBP : Trempe huile, Trempe gaz – Azote ou Hélium 20 Bar

OUTIL

• Conception d’un four spécial multifonctions avec :

– La possibilité de réaliser les différents traitements thermiques de la fabrication des pièces PM dans un seul et même cycle : Déliantage, frittage, cémentation basse pression et trempe gaz.

– La possibilité de modifier les paramètres du cycle afin d’adapter le cycle à chaque type d'alliage et à chaque pièce et ainsi optimiser chaque étape de fabrication des pièces PM.

– Possibilité de simuler les cycles obtenus en installation modulaire ICBP grande série.

L’outil de développement

Double chambres : cellule de

chauffe et cellule de trempe gaz

20 bars

Dimensions utiles : 600 x 1000 x

750 mm

Poids brut maximum : 500 kg

Température maximum : 1300°C

Gaz utilisés : N2, H2, C2H2, NH3

Atmosphère : vide primaire,

pression partielle

Etape de trempe étagée avec

dispositif VFD

Système de déliantage intégré

avec des séries de filtres

Outillage : CFC

Four Pilote

Four Pilote

Pressage des pièces PM

Four continu (Déliantage et frittage des pièces)

Pièces traitées issues de la PM

Four Batch (Cémentation & Trempe)

Déliantage & Frittage

Cémentation & Trempe

Interruption de la chaine de

production

Comparaison entre les cycles classiques et sous vide

Cycle « tout-en-un »

Avantages par rapport aux procédés aux fours conventionnels sont:

• Possibilité de délianter, fritter et cémenter en un seul cycle avec un four sous vide : suppression rupture de flux;

• Frittage à 1 200°C ou plus, sous pression partielle de H2 ou N2, ou un mélange des deux gaz;

• Procédé sans oxygène permettant la cémentation du chrome allié à l’acier pour des pièces PM;

• Déformation des pièces réduites à l’adaptation des vitesses et recettes de refroidissement pour chaque type de pièce;

• Absence de nettoyage et meilleure soudabilité après trempe au gaz;

• Le procédé est plus performant énergétiquement car les pièces ne sont pas refroidies à température ambiante et réchauffées entre le frittage et la cémentation.

• Elimination des rejets de CO/CO2.

22 |

Les avantages de la CBP et TG haute pression

RESULTATS

Surface: pas d’oxydes de Cr Surface: oxides de Cr

|

Centre : Oxydes de Cr et zones ferritiques appauvries en Cr et en carbone.

GC OQ) Oxydes de Cr en surface et au centre CBP (TG) Pas d’oxydes de Cr

Centre : Pas d’oxydes de Cr

Pas d’oxydation intergranulaire ( AST. CrA)

Astaloy 85Mo Profondeur minimale requise : 0,5 mm @ 550HV Dureté en surface : >700 HV10 Attaque Nital 2%

Profondeur de cémentation

Profil carbone

27 |

Structure entièrement martensitique

80/20 Bainitique/Martensitique

OD: 32mm 32 gram

Profil carbone

• La dureté d'une pièce issue de la métallurgie des poudres est régie par l’alliage et la teneur en carbone dans la poudre.

• La dureté à cœur optimale pour la résistance à la fatigue est normalement située entre 400 à 450 Hv0.1.

• La dureté à cœur peut être contrôlée avec précision par la teneur en carbone dans la poudre .

28 |

Trempe à 15 bar : Pas de cémentation

Influence de la teneur en carbone d’origine sur la dureté à cœur

• Combinaison du vide et de gaz réducteur afin de d’éviter l’oxydation

des pièces. Choix de l’atmosphère par phase de déliantage.

• Circuit sous vide avec filtres collectant la majorité des liants.

• Dans le cas d'un four batch, la durée du déliantage n'est plus liée à

la longueur ou à la vitesse du convoyeur (tapis etc…).

Etape de déliantage

• Le frittage sous vide évite l’oxydation des pièces ;

• Les éléments chauffants en graphite peuvent supporter de hautes températures (supérieures à 1300°C);

• Pas de cycles thermiques du four: réduction des consommations et de la durée de vie;

• Cartographie température aisée.

Revue des avantages : Etape de frittage

• Pas de manipulations nécessaires entre les étapes de frittage et de cémentation (fragilité et contamination);

• Le traitement de cémentation est contrôlé par “Infracarb” (notre brevet CBP avec acétylène) ;

• L'enrichissement et le temps de diffusion peuvent être adaptés séparément afin d’obtenir la bonne microstructure ;

• La CBP permet de tremper des pièces fines sans les cémenter à cœur grâce au profil carbone, dont la pente est ajustable.

Revue des avantages : Etape de cémentation

• La vitesse de refroidissement peut être ajustée en fonction des alliages grâce à la vitesse de deux turbines et à la pression du gaz : jusqu’à 8-10°C/sec en fonction de la partie de la pièce ;

• Déformations : dispersion réduite et meilleure reproductibilité par rapport à la trempe huile : suppression de la caléfaction ;

• Pas de lavage ;

• Assemblage par soudage facilité.

Revue des avantages : Etape de trempe gaz

ICBP Flex

Configuration possible pour une production en série

• Suppression de la rupture de flux;

• Modularité élevée et surface au sol restreinte ;

• Coût de maintenance annuel est proche de celui d’un four de cémentation sous vide classique ;

• Coût global du bilan énergétique positif : pas de refroidissement et de réchauffage des pièces à chaque nouvelle étape du procédé ;

• Suppression lavage ;

• Extension de la production en ajoutant des cellules de chauffe sans avoir à investir dans une seconde ligne complète.

Analyse économique globale

CONCLUSION

• L’utilisation des fours modulaires ICBP, de la cémentation basse pression et de la trempe au gaz accroît l’attractivité des pièces frittées grâce à :

- l’accès aux alliages aux chrome pour la maîtrise des coûts ;

- l’accès au frittage haute température pour améliorer les caractéristiques mécaniques ;

- la suppression de la rupture des flux entre frittage et cémentation ;

- la modularité des installations.

Conclusion

De nombreux champs investigation restent ouverts mais les travaux menés avec HÖGANÄS permettent d’ores et déjà d’agrandir le champ des applications possibles des pièces frittées.

Conclusion

Merci pour votre attention !