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PROCEDE DE FABRICATION DE PIECES OUVREES
La présente invention concerne un procédé de préparation de
pièces ouvrées mettant en oeuvre un liant cryogénique.
La fabrication de pièces ouvrées, notamment de pièces en
céramiques, metaux ou produits carbonés, peut se faire par mise en
forme de particules, par exemple par filage, injection dans un moule,
pressage ou 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 f;bres, avec un corps thermoplastique tels la
paraffine, des cires, du polystyrène et, éventuellement, certains
adjuvants. Le corps thermoplastique joue le rôle d'un l;ant, 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 obtenùe doit subir un traitement dest;né à éliminer
le corps thermosplastique. Ensuite, la pièce peut etre traitée
thermiquement, par exemple, elle peut être frittée.
Ces procédés classiques de fabrication de pièces, mettant en
oeuvre un corps thermoplastique en tan~ que liant, présentent de
nombreux inconvénients. Ainsi, en raison des mauvaises qualités
dispersantes des corps thermoplastiques, il est difficile de réaliser
un mélange parfaitement homog`ne entre ce type de liant et les
particules. Ces dernières, en particulier quand elle se présentent
sous forme de poudres, doivent être parfaitement désagglomérées.
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
dern;ers peuvent entraîner une migration des additifs de frittaye 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
.
: . ,
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,
l'élimination du corps thermoplastique sous atmosphères oxydantes.
Toutefo;s, de telles atmosphères empêchent l'utilisation de part;cules
craignant l'oxygène. Enfin, les corps thermoplastiques ne peuvent en
aucun cas être recyclés en vue de leur réutilisation comme liant.
Par ailleurs, les demandes de brevet WO 8200015 et GB 1.~37.471
décrivent des procédés de fabrication de moules de fonderie selon
lesquels on lie temporairement un matériau particulaire avec un liant
gelé, tels de la neige, de la glace pilée ou un mélange de dioxyde de
carbone liquide et de glace. Ces liants présentent une viscosité
faible et ont pour but pr;ncipal de conférer une certa;ne cohés;on
audit matér;au particulaire pendant une opération de coulée d'un métal
fondu dans le moule.
Une fois cette opération terminée, le moule perd totalement sa
cohésion et s'effrite.
On peut ainsi récuperer le métal préalablement coulé et dont les
surfaces se sont solidifiées, sans avoir à recourir à des moyens
mécaniques d'extraction du moule. Ces procédés ne permettent donc que
l'obtention d'un moule dont la durée de vie est trés brève et en aucun
cas l'obtention d'une pièce ouvrée présentant une bonne cohésion et
mécaniquement stable dans le temps, même à des températures
supérieures à l'ambiante.
La présente invention concerne un procédé de fabricat;on de
p;èces ouvrées,mécan;quement stables dans le temps, obv;ant aux
incunvénients des procédés class;ques . Plus particulièrement,
l'invention permet d'éliminer très rapidement le liant auquel sont
mélangées les particules, sans crainte de déformations ou de ~issures
de la pièce, n'entraîne par la formation de rés;dus de décompos;tions
dans la pièce, ne nécesssite pas une désagglomérat;on poussée des
part;cules, et permet éventuellement de recycler le liant en vue
d'opérations de fabricat;on ultér;eures.
L';nvention 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, on traite
thermiquement ledit mélange dont on a préalablement éliminé au moins
partiellement led;t liant cryogénique et on récupère la p;èce ouvrée.
Dans le cadre de la présente ;nvention, lesdites particules sont
princ;palement des poudres, des ~ibres ou des mélanges de poudres ou
de ~ibres.
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Ces particules sont généralement de nature minérale métallique ou
non métallique. Selon la nature de la pièce à fabriquer, ces
par~icules peuven~ 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
carbures de bore ou de silicium.
La ta;lle des particules doit être suffisamment petite pour être
facilement agglomérées. Si les particules se présentent sous forme de
poudre, leur granulométr;e est de préférence ;nférieure à 100 ~m
plus préférentiellement comprise entre 0,1 et 10 ~m.
Si les particules se présentent sous forme de ~ibres, leur
longueur est de préférence comprise entre lO ~m et à 0,5 mm, plus
préférentiellement entre 10 ~m et 0,1 mm, et leur diamètre est compris
de préférence entre l ~m et 0,1 mm, plus préférentiellement entre 1 ~m
et 50 ~m.
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 déf;nies 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 (10-30C
et pression atmosphér;que ou vo;s;ne de la press;on atmosphérique) et
sous forme solide ou liquide dans les conditions de température et de
pression mises en oeuvre. Habituellement ladite température est
inférieure à - 20 C, de préférence in~érieure à - 50 C et plus
préférent;ellement comprise entre - 70 C et - 196 C. Ladite pression
est généralement la pression atmosphérique ou une pression voisine de
celle-ci, mais elle peut dans certains cas être supérieure à la
pression atmosphérique, par exemple de l'ordre de 106, voire 107 Pa.
Généralement un liant cryogénique selon l'invention, présente une
viscosité supérieure à 100 mPa.s, de référence comprise entre 300 et
1000 mPa.s à la température et la pression mises en oeuvre.
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A titre de liant cryogénique~ on peut citer les laits
cryogéniques, constitués par un mélange entre 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 atre constitué par un mélange de neige
carbonique et d'un gaz liquéfié, de préférence l'azote liquide.
La rhéologie d'un tel lait cryogénique peut être controlée par le
rapport pondéral entre la neige carbonique et le gaz liquéfié.
On peut également citer le slush d'hydrogène constitué par un mélange
d'hydrogène solide et d'hydrogène liquide.
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 dio~yde de
carbone, ceci dans les conditions de mise en oeuvre du procédé de
l'invention.
A titre de solvant organique, on peut citer les éthers9 de
préférence le diéthyle éther, les cétones, de préférence l'acétone,
les alcools et les esters.
Selon la viscosité que l'on veut obtenir, on fait varier la
proportion entre le dioxyde de carbone solide et le solvant organique.
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
à une température inférieure ou égale à celle dudit liant cryogénique.
Avantageusement, on réalise le mélange après avoir préalablement
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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
différentes, est très homogène.
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
30/70.
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 ~abriquer . 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~
propr;étés mécaniques~
Le mélange obtenu, on peut alors le mettre en forme par des
procédés class;ques, parmi lesquels on peut citer l'extrus;on, le
pressage, le filage ou le moulage, notamment par injection.
La mise en forme du mélange se fait à une temperature 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 au
moins partielle 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 0C, plus
généralement comprise entre 10 et 30C. 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 pour la fabrication d'une pièce ouvrée selon le procédé
de la présente invention.
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En particul;er, lorsqu'on recue;lle le mélange mls en forme sur un
matériau isolant thermique présentant une structure poreuse, on peut,
le cas échéant, récupérer le solvant organ;que à sa sortie de la
structure poreuse. Une fois le liant cryogénique élim;né, au moins
partiellement, on peut traiter thermiquement la pièce, par exemple la
fritter dans des conditions classiques.
On récupère alors une pièce ouvrée présentant une excellente cohésion
et qui est mécan;quement stable dans le temps
L'invention est à présent illustrée par les exemples suivants :
Exemple 1 :
On introdu;t dans un mélangeur préalablement refroidi à une
température de - 80C de la neige carbonique et de l'acétone également
à - 80C. On mélange pendant environ deux minutes jusqu'à obtention
d'une composition homogène et lisse. La vitesse de mélange est
d'en~iron 1 tour/seconde . Puis on introduit dans la composition ainsi
obtenue de la poudre d'alum;ne refroidie à - 80C 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
files sur une presse verticale de force de 50 tonnes, dans un
outillage refroidi au préalable à -85C. On obtient des tubes dont le
d;amètre ;nterne 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 ~rittés pendant 8 heures à
1500C.
Exemple 2 :
On introduit dans un mélangeur préalablement refroidi à - 84 C
de la neige carbonique et de l'acétone également à - 84 C. On mélange
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a 1 tour/seconde pendant environ deux minutes jusqu'à obtention d'une
composition homogène et lisse.
Puis on introduit dans cette composition de la poudre de ferrite
de strontium 6H compor~ant des adjuvants de frittage du type
bentonite, dont la granulométrie est de 0,8 ~ Fisher (société Ugimag).
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 pateux, 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 100C
- palier : 2 h à 100 C
- montee : 185 C/h jusqu'à 1250C
- palier : 1 h 30 à 1250C ~
