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 !