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L'invention est relative à la fabrication d'articles façonnés ou profilés à partir de poudres; et elle concerne, plus spécialement,la pro- duction d'articles en métal et en une matière céramique par le pressage ou tassement de poudres réfractaires en vue de leur donner une forme et par la consolidation de l'article pressé par un procédé de frittage,l'invention pouvant toutefois être appliquée dans tous les cas où des articles façonnés et consolidés sont obtenus à partir de poudres.
Comme bien connu, la technique de la métallurgie des poudres a commencé par la fabrication de filaments de tungstène à partir de billettes préparées en soumettant de la poudre de tungstène à une pression élevée, de manière à former une tige pressée qui est ensuite soumise à un frit- tage en faisant passer un courant électrique à travers la tige.Dans les dernières années, on s'est servi des principes de catte technique dans plu- sieurs branches différentes de l'industrie et la seule difficulté, s'oppo- sant à ce que cette technique puisse servir à des applications plus étendues , est le problème de pouvoir presser la poudre de manière qu'on obtienne un retrait uniforme de l'article pressé, sur toutes ses surfaces, au cours de la consolidation pendant l'opération de frittage.
Le tassement se faisait, jusqu'ici , dans des matrices métalliques,la pression étant exercée par un plongeur capable de se déplacer dans un sens seulement.Des métaux et des matières céramiques en poudre ne se comportent pas comme des liquides , même s'ils sont lubrifiés à l'aide de liants tels que la cire de paraffine, le glycol ou le polythène, de sorte qu'il se produit une perte de pression à la base d'un produit compact quand la pression est exercée sur la partie supérieure de celui-ci et il en résulte que la base de ce produit n'est pas aussi fortement tassée ou compacte et se .rétrécit davantage au cours du frittage, ce qui donne lieu à des déformations dans l'article final.
De nombreux dispositifs mécaniques ont été proposés pour réduire cet inconvénient au minimum, notamment en exerçant la pression en plus d'un point mais, en fabriquant des articles façonnés en pressant une barre à section rectangulaire et en profilant celle-ci avant frittage et toute irrégularité dans le tassement provoque un retrait non uniforme pendant le frittage en produisant des déformations dans l'article façonné.
Pour la fabrication d'une longue barre cylindrique par pressage direct, la pression peut seulement être appliquée aux deux extrémités, ce qui a pour résultat que la partie médiane de la barre est insuffisam- ment tassée et que la barre frittée est plus mince au milieu qu'aux deux extrémités.Pour la fabrication d'une tige ou d'un cylindre de grande longueur.
on a proposé de faire intervenir une pression hydrostatique et, à cet effet, la poudre a été placée dans un tube en caoutchouc rendu étanche pour empêcher l'accès du liquide, ce tube étant ensuite placé.-- dans une chambre à pression, de forme appropriée, dans laquelle on a fait agir une pression convenable.Il existe, toutefois, des difficultés pratiques pour atteindre les pressions élevées nécessaires, en se servant des moyens ordi- naires, des pompes hydrauliques n'étant généralement pas construites pour des pressions très élevées.Des pressions élevées peuvent être exercées à l'aide d'une explosion dans une chambre à pression.Les explosions son), toutefois, difficiles à régler.Néanmoins,
une pression uniforme a pu être exercée suivant tous les axes par cette méthode, excepté en ce qui concerne une légère perte résultant de la présence du manchon en caoutchouc.Une évo- lution plus récente de cette dernière méthode a été l'usage d'un moule profilé et flexible à la place du tube en caoutchouc, ce moule étant égale- ment, comme le tube en caoutchouc, rendu étanche au liquide et étant plongé dans un liquide sur lequel on exerce ensuite une pression hydrosta- tique.Cette méthode, tout en permetant d'obtenir des formes plus compliquées, présente, néanmoins, les mêmes inconvénients que la méthode précédente.
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Un but de l'invention est de réaliser des moyens pour presser des poudres dans un moule flexible, de manière telle que la pression soit exercée dans tous les sens, sans que les inconvénients indiqués plus haut se produisent, et d'obtenir autant.que possible,le retrait nécessaire quand on passe de la poudre à l'article pressé et fritté au cours de l' opération de pressage.
L'invention est basée sur la découverte que certains gels élastiques et réversibles peuvent être utilisés pour la fabrication de moules et que, lorsqu'une pression est exercée par un seul plongeur dans un espace fermé, le gel oppose, en substance, la même résistance à la compres- sion qu'un liquide, de sorte qu'en exerçant la pression en un point de ce gel, la pression est répartie uniformément dans toute la masse.
D'autres investigations ont montré que les fonctions du gel élastique réversible, en ce qui concerne l'opération de pressage, peuvent être remplies par un grand nombre de matières flexibles,, les conditions à remplir par une telle matière flexible, pour atteindre le but visé par l'invention, étant que les dimensions de la matière soient stables et qu'elle, soit capable de subir une déformation suffisante ,pendant la conso- lidation de la poudre sous pression, pour qu'elle s'adapte d'elle-même au retrait dans l'espace occupé nar la poudre.Ces matières flexibles sont désignées ci-après comme étant des "matières élastiques molles".Il n'existe, @ toutefois,
pas de limites critiques pour définir les termes "mou" et "élastiuqes" car la souplesse et la rapidité avec laquelle la matière reprend sa forme et ses dimensions initiales, après que la pression a cessé d'agir, peuvent varier entre des limites très écartées tout en satisfai- sant aux conditions susindiquées.Toute ce que l'on peut dire est que,plus la matière peut être déformée facilement par une compression et'plus vite elle reprend sa forme et ses dimensions initiales, après que la pression a cessé d'agir, plus ses propriétés s'approchent de celle d'un liquide pour transmettre l'énergie sans que cette matière présente les inconvénients susindiqués du liquide et plus elle convient, par conséquent,
aux usages envisagés par l'invention.Ainsi de nombreuses et diverses matières élas- tiques et molles peuvent être utilisées, par exemple du caoutchouc vul- canisé mou, des résines synthétiques thermoplastiques et plastifiées ainsi que des gels de résines synthétiques.Un gel lyophilique réversible présente, toutefois, du moment que ses dimensions sont stables, de nombreux avanta- ges en ce sens qu'il peut être aisément reconverti en un sol et qu'on peut lui donner la forme nécessaire pour la coulée du sol, après qupi on le transforme en un gel pour former ainsi un moule flexible .Parmi les gels lyophiliques que l'on peut utiliser ,on peut citer les gels hydrophiliques, tels que la gélatine,, l'agar-agar,
les gels de l'acide alginique et l'albumine des oeufs.Un gel hydrophilique approprié peut être préparé à partir d'une solution aqueuse à 25% de gélatine.
Des organogels peuvent également être utilisés et ils présentent, comme expliqué plus loin.-, des avantages considérables sur les gels hydro- philiques.Des organogels appropriés sont des résines synthétiques thermo- plastiques plastifiées, telles que le chlorure de polyvinyle et ses co- polymères.Les plastisols vinyliques conviennent particulièrement bien au but poursuivi par l'invention.Ces plastisols sont des dispersions dans lesquelles le plastifiant- est les seul milieu de dispersion qui puisse être converti en plastigel, dans certains cas, par un chauffage à des températures de 1 ordre de '(10 .Des gels de ce genre sont préparés et vendus pour la fabrication de moules flexibles pour couler du plâtre,du ciment, de la cire et des produits résineux..Un gel,
qui convient partiouliè'- rement bien, est préparé en plastifiant fortement et en gélifiant du chlorure de polyvinyle et il est vendu sous la marque de fabrique "Vinamold" mais
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il est évident que de nombreux élastoères naturels ou synthétiques peuvent être utilisés pour la fabrication d'un gel ayant les propriétés susindiquées.
La proportion du milieu de dispersion dans le sol,à partir duquel le gel est préparé, est réglée de manière à donner au gel la rigidité né- cessaire pour la fabrication d'un moule comportant l'empreinte nettement définie du modèle utilisé,mais en sorte qu'il ne soit pas assez rigide pour qu'il perde les propriétés d'un gel lui permettent de se déformer sans subir de changement substantiel de son volume et,en outre,de se com- porter,en ce qui concerne la compression, comme s'il était un liquide.La proportion du colloïde au milieu de dispersion n'est,pour cette raison,pas critique,car il s'agit uniquement d'obtenir un équilibre entre la résis- tance du gel et sa flexibilité, de sorte que,du moment que le gel obtenu a une stabilité de dimensions suffisante pour qu'il conserve sa forme en n'étant pas soumis à une compression et même après un usage répété,
plus le gel est mou et mieux il peut servir au but poursuivi par l'invention.
Sous son aspect le plus large,l'invention consiste donc en une méthode pour tasser des poudres par l'application d'une pression sur ces poudres dans un espace fermé,ce procédé consistant à intercaler,entre la source de pression et la poudre à comprimer,une matière élastique et molle du genre spécifié plus haut.
Sous la forme la plus simple de l'invention,la poudre peut être tassée en la plaçant dans une matrice rigide et en posant sur la poudre, avant l'application de la pression,un gel réversible. Suivant un mode de réalisation préféré de l 'invention, la poudre est façonnée et tassée avant de l'introduire dans la cavité d'un moule flexible constitué en une matiè- re élastique et molle, en logeant le moule dans une matrice rigide ayant la forme et les dimensions de la face externe du moule flexible ,de sorte que,lorsque le plongeur est engagé dans le corps de la matrice,l'espace dudit corps réservé au moule soit complètement rempli par celui-ci, après quoi on exerce la pression nécessaire sur le plongeur de la matrice.
Avantageusement,on peut constituer le moule flexible en un gel réversible, tel qu'un plastigel vinylique, en versant le gel liquéfié au- tour d'un modèle placé dans un corps de matrice rigide,après quoi on retire le modèle.
Pour la mise en oeuvre de l'invention et pour fabriquer,par exem- ple, un corps cylindrique avec une extrémité pointue et constitué en carbu- re de tungstène, on peut procéder comme suit.Un modèle cylindrique en acier, ayant une forme correspondant à celle que l'on veut obtenir,est placé dans un corps de matrice,convenant au pressage de matières pulvéru- lentos et constitué par un tube cylindrique avec un plongeur à chaque extrémité.Les dimensions du modèle en acier sont augmentées,dans toutes les directions,de la même quantité, en pourcent,au-dessus de celles que l'on veut donner à l'article désiré,le surplus des dimensions correspondant au retrait obtenu quand on passe d'abord de la poudre légèrement tassée à l'article pressé et,, ensuite,
de l'article pressé à l'article fritté.L'in- tervalle entre le modèle surdimensionné et la paroi de la matrice est alors rempli en versant un chlorure de polyvinyle fortement plastifié et fondu, mis sur le marché sous la marque de fabrique "Vinamold" dans l'intervalle susdit et quand la matière coulée est refroidie,on retire le modèle pro- filé sans difficulté, ce qui laisse dans le "Vinamold" une empreinte cor-
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respondant exactement au modèle en acier surdimensionné .La. matière pul- vérulente à comprimer,par exemple un mélange de carbure de tungstène-co- balt connu sous le nom de métal dur et contenant environ 1% en poids de ci- re de paraffine,est alors introduit uniformément dans le moule en remplissant
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la pression est exercée par un bélier hydraulique et, en admettant que la matrice soit construite d'une manière suffisamment solide, des pressions atteignant 3500 kg/cm2 peuvent être obtenues.Quand la pression cesse et que le plongeur est retirée on constate que la matière pulvérulente est tassée uniformément, de sorte que toutes ges dimensions linéaires sont proportion- nellement réduites par rapport à celles du modèle profilé initial d'une valeur correspondant à peu près à un quart (20-25 %).
La compression d'une pièce moulée pleine en "Vinamold" a été mesurée et on a observé une contraction de 9% en volume sous une pression de 15 kg/mm2. On compense généralement cette contraction en volume de "Vina- mold" par le mouvement d'un ou de plusieurs plongeures suivant un axe seulement.On doit tenir compte de cet-effet en établissant le modèle sur- dimensionné utilisé pour le moulage du "Vinamold".A part cette tolérance, il se produit une variation apparente très faible du retrait, pendant le pressage, entre les dimensions, qui sont parallèles à l'axe suivant lequel est exercé la pression et celles considérées suivant les autres axes.
Quand on utilise de la gélatine comme matière constitutive du moule flexible, on constate qu'une solution à 25% de gélatine procure un gel ayant une consistance appropriée pour la mise en oeuvre del'invention- La composition suivante convient bien: gélatine broyée 25 % en poids eau 70 % " " glycérol 4,75% " " Dettol 0,25% " "
Comme dans le cas du "Vinamold", la formule susdite n'est pas critique mais le rapport gélatine/eau indiqué dans la composition ci-dessus procure un compromis approprié entre la rigidité et la flexibilité du gel.
Le glycérol est utilisé en vue de réduire l'évaporation de 7,seau et d'amélio- rer ainsi la stabilité des dimensions pendant que le produit est conservé .
Le Dettol empêche la croissance des bactéries.Il résulte de ce qui précède que les organogels de vinyle présentent des avantages marqués sur la gélatine utilisée pour le but de l'invention.
Il n'est pas nécessaire que la matière, introduite dans le moule flexible, ait la forme d'une poudre, car la masse peut avoir été comprimée partiellement dans une'matrice ordinaire avant d'être introduite dans le moule et toute irrégularité dans le tassement peut être supprimée au cours de: la compression dans le moule flexible.Ceci est important car, avec la méthode de pressage usuelle, toute modification légère de la forme, qui résul- te d'une compression irrégulière, se manifeste seulement après le frittage.
Or, une correction de cette altération de la forme nécessite un meulage de l'article fritté et dur.Des poudres, tassées par des méthodes usuelles, peuvent subir un pressage ultérieur conformément à l'invention et, après ce pressage ultérieur, l'altération de la forme peut être corrigée sur l' article non fritté et il se.produit un retrait absolument régulier au cours du frittage .Par exemple, une pièce profilée cylindrique, qui a été comprimée à l'aide d'un plongeur dans un sens parallèle à son axe, aura une forme légèrement tronconique après frittage, mais si, avant le frittage, on la soumet à un nouveau pressage par la méthode selon l'invention et à la même pression que celle utilisée 'auparavant, on peut constater la forme tronconique avant frittage et on peut y remédier à ce moment,
la pièce subissant alors un retrait parfaitement régulier au cours du frittage.On a découvert que le "Vinamold" agit comme s'il était un liquide, de sorte que l'effet d'une pression sur une extrémité seulement procure une contraction
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uniforme suivant.les trois axes. Le "Vinamold" a des dimensions stables et revient à sa forme initiale après chaque pressage, de sorte qu'un moule peut être utilisé plusieurs fois.Dans le cas où il s'use il peut être refondu et moulé à nouveau.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemples, quelques modes de réalisation de l'invention.
La fig.1 montre, en coupe verticale, un corps de matrice constitué par un cylindre en acier dans lequel sont ajustés des plongeurs et illus- tre en A,B, C,D et E, cinq phases différentes de fabrication d'un moule flexible, conformément à l'invention, ainsi que le pressage d'une poudre dans le moule,quand celui-ci est formé.
La fig. 2 montre, semblablement, un corps de matrice analogue et illustre les phases A-E de la fabrication d'un moule flexible différent et de l'article pressé formé dans celui-ci.
La fig.3 montre, semblablement, un corps de matrice analogue à. celui de la fig.1 et illustre les phases A-B de la fabrication d'un autre moule flexible et de l'article pressé dans celui-ci quand on utilise un noyau en acier.
Des organes analogues sont désignés par les mêmes chiffres de référence sur les différentes figures.
Sur la fig.1, le corps de matrice 1 comporte un plongeur inféri- eur 2 et un plongeur supérieur 3 ainsi qu'un modèle surdimensionné 4 qui peut être constitué en une matière rigide quelconque mais, de préférence, en acier, ce modèle étant placé au centre de la matrice, comme montré pour la phase A. Comme déjà dit, le modèle doit être surdensionné de la quan- tité voulue, en pourcent, pour toutes les dimensions, afin que cette quan- tité corresponde au changement de dimension du produit compaor formé par' la poudre, d'abord au cours du pressage et, ensuite, au cours du frittage.
La modèle 4 sert, dans ce cas, à la fabrication d'une bille sphérique.
Le "Vinamold" fondu est versé, à l'aide d'un récipient approprié 5 dans le moule jusqu'à ce qu'il atteigne un niveau bien au-dessus de la partie sphé- rique du modèle, comme indiqué par l'horizontale en traits interrompus pour la phase A.On permet alors au "Vinamold" de refroidir jusqu'à ce qu'il se soit solidifié sour la forme d'un gel bien ferme.Le moule flexible ainsi formé est alors sorti du corps de la matrice et renversé, comme montré dans la phase B, après quoi le modèle est retiré hors du moule.On forme un bou- chon 6, en "Vinamold",, par une opération séparée.La poudre métallique, nécessaire pour le pressage,est versée dans le moule jusqu'à ce qu'elle remplisse la partie sphérique du moule, comme montré en 7 pour la phase C.
,Le bouchon 6 en "Vinamold" et le plongeur 3 sont alors mis en place et une pression de 15 kg/mm est exercée sur le plongeur comme montré pour la phase D. Le "Vinamold" agit,dans ces conditions, comme s'il était un liquide, de sorte que, lorsque la poudre est tassée pour former l'article pressé, le "Vinamold" se déforme comme le ferait un'liquide et la pression est transmise uniformément dans toutes les directions.Dans ces conditions, il se produit une diminution de 40 à 50% en volume de l'espace occupé par la poudre.Il est sans importance que la pression soit exercée sur les deux plongeurs 2 et 3 ou sur un plongeur et dans un sens seulement,l'autre plon- geur formant alors un appui solide, comme entre les platines d'une presse.
Quand la pression cesse d'agir, le "Vinamold" revient brusquement à sa forme et à ses dimensions initiales en laissant l'article pressé dans l'espace vide 8, cet article ayant alors une forme sphérique mais avec un volume considérablement plus petit, comme montré r la phase E.
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Sur la fig.2, le modèle a, dans ce cas, la forme d'un cylindre 4 et le "Vinamold" est versé dans la cavité du modèle, jusqu'à ce qu'il atteigne un niveau bien au-dessus du modèle cylindrique, comme indiqué par l'horizontale en traits interrompus pour la phase A.Après refroidis- sement,le moule flexible est retourné comme montré pour la phase B et le bouchon 6, en "Vinamold", est logé avec précision dans le corps de la ma- trice , ce bouchon étant, dans ce cas, formé par un simple disque.La pou- dre à presser est ensuite versée dans l'espace annulaire 7 compris entre le moule flexible et le corps de la matrice jusqu'à ce qu'elle atteigne la partie supérieure du moule flexible, comme montré pour la phase C,
et le bouchon 6 en "Vinamold" et le plongeur sont mis en place.La pression est alors exercée comme dans le cas du corps sphérique de la fig.l.La pression diminue les dimensions de la poudre remplissant 1 (espace annulaire 7, comme montré pour la phase D.Quand la pression cesse, on obtient également un cylindre dont la paroi a une longueur et une épaisseur moin- dres que celles de l'espace initial formé par le moule flexible, comme montré en 8 pour la phase E.
Sur la fig.3, un modèle 4, convenant à la fabrication d'une pièce moulée tubulaire est placé dans le corps de la matrice, le modèle comprenant une partie en saillie 9a destinée à former une cavité dans le moule flexible en vue de permettre l'introduction d'un noyau en acier.Le "Vinamold" remplit la matrice jusqu'au niveau de la partie supérieure du modèle .Bans ce cas, il n'est pas nécessaire d'inverser le moule flexible mais, après l'enlèvement du modèle, le noyau 9 est introduit dans la cavité 9a et s'étend jusqu'au-dessus de l'espace cylindrique 8.Le bouchon 6, en "Vinamold" comporte, dans ce cas, "également une encoche 9b dont la section transversale a la même forme et les mêmes dimensions que le noyau,
la profondeur de cette encoche étant calculée de manière à laisser de la place pour le noyau quand la poudre 7, qui est introduite dans l'espace 8, est tassée par l'effet de la pression quand le corps principal du moule flexible 5 après la mise en place du bouchon 6, est comprimé.En mettant le bouchon 6, en "Vinamold" et le plongeur 3 en place , comme montré pour la phase 0, et en faisant agir la pression comme montré pour la phase D; la poudre 7,, contenue dans l'espace 8, est comprimée uniformément de tous les côtés dans le cylindre plus petit ainsi formé et quand la pression cesse, ce cylindre plus petit est laissé dans l'espace 8, comme montré pour l'étage B.
Le procédé:;. faisant l'objet de l'invention,peut être utilisé pour toutes les variantes connues dans ce domaine par exemple celles avec introduc- tion de mandrins ou noyaux en vue de former des cavités dans le corps pressé.
Suivant une autre variante, le mandrin ou le noyau lui-même peut être con- stitué en une poudre comprimée mais non frittée qui n'a pas nécessairement la même composition que la poudre que l'on veut comprimer autour de ce mandrin ou noyau.De cette manière, on peut obtenir un article dont la section transversale peut avoir une composition complexe sur toute son étendue.Les articles pressés peuvent être frittés d'une manière très uniforme, ce qui prouve que la pression est exercée régulièrement dans tous les sens et les valeurs uniformes du retrait, que l'on peut observer, sont une autre preu- ve de ce fa.it.
La méthode pour tasser des poudres, selon l'invention,peut être uti- lisée dans n'importe quel cas où une uniformité de pression est nécessaire' . pour former un article pressé à partir d'une poudre mais l'invention est surtout intéressante pour tasser des poudres de métaux et d'alliages ayant des points de fusion élevés, en vue d'obtenir des articles frittés, tels que des outils de coupe, à partir de ces poudres.