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Matières antifriction et procédé pour leur fabrication.
L'invention concerne notamment un procédé de fabrication d'éléments frittes notamment pour la réalisation de produits frittes formés d'une matrice composée d'un mélange de poudres métalliques dont les oxydes ont une énergie libre de formation plus positive que celle de l'oxyde de plomb,et des particules de poudre, principalement d'oxyde de plomb,, caractérisé en ce qu'on fritte ces poudres ensemble,les particules comprenant principalement de l'oxyde de plomu formant des îlots indépendants et discontinus, enrobés c'est-à-dire noyés dans la matrice.
Suivant une caractéristique de 11 'invention ,on utilise
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comme matériau de la motrice le cuivre ou l'argent.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, les particules de poudre, notamment' d'oxyde de plomb,comportent au moins une autre matère qui est un oxyde.
L'invention s'étend aux produits conformes à ceux obtenu par le présent procédé ou procédé similaire.
Le procédé conforme à l'invention est illustré sur les figures c-jointes lans lesquelles : - la figure 1 est une microphotographie, grossie 250 fois, montrant les caractéristiques métallurgiques des matières antifriction connues, ce uniquement à des fins de comparaison.Le chiffre de référence 10 désigne les Ilote, dans l'ensemble conti- nus, de la matière à base d'oxyde de plomb. La où la continuité n'est pas visible, cette continuité existe dans un autre plan.
Les zons claires 12 représentent la matrice et elle comprend na- turellement de tels vides.
- la figure 2 est une microphotographie grossie 250 fois, montrant les caractéristiques métallurgiques de la matière de la présente invention. Cette figure montre des Ilots indépendants et discontinus de la matière 14 à base d'oxyde de plomb, enrobés dans la matrice 16.
La présente invention évite une infiltration de la matrice par les matières à base.d'oxyde de plomb et résout ainsi un certain nombre des problèmes liés de façon inhérente à cette solution. Bien qu'une matrice infiltrée et faite d'une matière composite puisse être souhaitable,dans et pour certaines applications, et notamment pour les paliers, segments de piston, joint))) disques d'embrayage et autres, il en est cependant d'autres dans lesquelles une telle structure Infiltrée présente de nets inconvénients.
L'infiltration est fonction de la viscosité du matériau ,dans ce cas un oxyde fondu, donnant une masse en fusion à haute viscosité qui ne t'infiltre pas toujours de façon convent-
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ble dans la matrice. De plus, le mélange binaire d'oxyde de plomb possède une certaine gamme de viscosité qui dépend de l'addition d'alliage. Ainsi, seuls certains mélanges s'infiltrent facilement-. En outre, l'infiltration est quelquefois difficile à contrôler,' en particulier lorsque la vitesse d'infiltration est assez .faible.
Etant donné que l'oxyde de plomb en fuaion dissout facilement le cuivre, un contact superficiel prolongé peut avoir pour résultat une notable érosion superficielle et un appréciable affaiblissement structurel. Une structure infiltrée doit, de par sa nature même, avoir des zones intercommunicantes contenant les dites particules d'oxyde de plomb, qui auront un effet nuisible sur la facilité d'usinage du matériau composite.
Ainsi, de larges zones intercommunicantes contenant de Ifoxyde de plomb ou des alliages de celui-ci seront, dans certaines circen- stances, rapidement arrachées par une machine-outil, en laissant alors des vides, de dimensions au moins microscopiques,dans la surface finie.
-Il a maintenant été reconnu que ces conditions peuvent être écartées en frittant solidement un mélange @@@@@ de la substance de Matrice et des particules de poudre, principale- m@@ d'oxyde de plomb. Dans ce produit amélioré ,les particules @ de poudre, principalement d'oxyde de plomb, forment des flots' dépendants et discontinus, qui sont enrobés dans :la substance de la matrice.
Conformément à l'invention,on forme un 'élément méttlv lique en poudre frittée,comportant le mélange de particules de. poudre, choisies dans un groupe comprenant le cuivre, l'argent et leurs alliages, avec des particules de poudres comprenant princi- paiement de l'oxyde de plomb, de manière à réaliser un mélange d'une distribution uniforme.
Ensuite, le mélange de particules de poudre est rendu compact, à densité avant frittage,puis on fritte le mélange ainsi rendu compact de manière à lier métallur- giquement ensemble les particules individuelles de poudre. ,
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On réalise un procédé de doublage métallique en poudre frittée sur un support métallique massif de renforcement, dans le-, quel on dépose une couche intermédiaire d'un matériau de liaison sur une surface substantiellement plate d'une bande continue d'un ' métal non poreux, on mélange ensuite des particules de poudre d'une matière dont les oxydes ont une énergie libre de formation plus positive que celle de l'oxyde de plomb, avec des particules de poudre, principalement d'oxyde de plomb,
puis on étale le mélange résultant sur la surface plate de la bande, faisant face à la couche intermédiaire. Ensuite, on fait passer la bande à travers une chambre de frittage dans laquelle règnent des condi- tions aptes à fritter ensemble les particules de poudre, pour établir simplement un contact par points entre les particules et, pour lier métallurgiquement les particules à la surface plate de la bande.
On fait passer ensuite la bande entre deux cylindres de pression, de manière à obtenir une densité prédéterminée du doublage métallique, la bande traversant alors une chambre dans laquelle régnent des conditions aptes à fritter à nouveau ensem-
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'ilü le* -:
r,U1oaJ... de poudre * letticw 1\&l"ta..' wa 00""' '- Suivant un* autre caractéristique de 3. * invention, on réalise un Placent métallique en poudre frittée, constitué d'une matrice composée d'un mélange de poudres métalliques dont les oxydes ont une énergie libra de formation plus positive que celle de l'oxyde de plomb, et de particules de poudre, principalement d'oxyde de plomb, caractériel en ce que les particules de poudre, principalement d'oxyde de plomb, forment des îlots indépendants et discontinus dans la Patrice.
Suivant un autre mode de réalisation de l'invention,
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on réalise un alèsent métallique composite qui comprend un élément support en acier et une couche de liaison intermédiaire qui est liée sur toute son étendue à l' élément support, la couche de liaison consistant en un métal choisi dans le groupe de métaux
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dont les oxydes ont une énergie libre de formation plus positive que celle de l'oxyde de plomb ot ses alliages.
L'élément métalli- que composite comprend aussi une couche de support solidement frittée, liée sur toute son étendue à la couche intermédiaire eu'elle recouvre et constituée d'un mélange de poudres métalliques formant matrice,dont les oxydes ont une énergie libre de formation plus positive que celle de l'oxyde de plomb, et dans laquelle les particules do poudre, principalement d'oxyde de plomb, forment des îlots Indépendants et discontinus qui sont enrobées dans la matrice.
Une qualité essentielle de la matrice est que les oxydes des poudres métalliques qui la constituent ont une énergie libre de formation qui est plus positive que celle de l'oxyde de plomb, de sorte que la matrice ne tend pas à réduire l'oxyde de plomb en' plomb métallique, lorsque les deux matériaux sont frittes ensemble. Le cuivre ainsi que l'argent satisfont à cette exigence* De plus,l'argent peut égalemen t être employé comme un élément d'alliage pour renforcer le cuivre sans effet adverse pour l'oxyde de plomb. L'arsenic peut également être utilisé comme élément d'alliage, mais il n'est cependant pas satisfaisant comme matrice..
Les termes "cuivre" et "oxyde de plomb" sont constam- ment utilisés pour une meilleure compréhension de 1'invention.La mesure dans laquelle d'autres matériaux peuvent remplacer ces matières, ou être combinés avec ellos, a été définie dans d'autres parties de la présen te description. Cependant en aucun cas, la seule référence au cuivre et à l'oxyde de plomb ne doit être interprétée dans un sens restrictif.
N'importe quelle qualité de poudre de cuivre est acceptable. Toutefois, un mélange de poudres a été trouvé parti- ; culièrement bien approprié, étant donné qu'une fois mélangé aveo des oxydes en poudre fine, il coule très facilement. C'est là une propriété importante, en particulier p our l'emploi, avec des
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presses à contacter à grande vitesse couramment employées dan la métallurgie des pouces. L'analyse granulométrique sur tami, pour ce mélange de cuivre, s'établit comme ci-après.
% nominal Dimension ou jauge du tamis - 100 + 150
22 - 150 + 200
9 - 200 + 250
23 - 250 + 325
38 - 325
Des produits composites ont été- réalisés avec des additions d'oxyde de plomb seul, ainsi qu'avec des mélanges à base d'oxyde de plomb, la résistance-du matériau composite est sur- tout attribuée à la matrice en cuivre, tandis que les additions d'oxyde donnent des qualités derésistance à l'usure au frotte- ment.
Le tableau I ci-après donne un grand nombre de mélange à base d'oxyde de plomb. En tête du tableau I, on trouve des donnée de référence pour le plomb, qui sont incluses pour com- paraison.
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%AJ3FAq I Mélange à base de PbO
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<tb>
<tb> Additif <SEP> Taux <SEP> Exemple <SEP> Température <SEP> ±tard <SEP> fondu
<tb> spéci- <SEP> de <SEP> fusion <SEP> en
<tb> fique <SEP> C
<tb> eutecti- <SEP> @
<tb>
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###. ......¯.... Que .,.,,. , # .. , PbO min. 51% - 888*C visqueux 810z . équilibre gaz 732 fluide
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<tb>
<tb> 15% <SEP> 732 <SEP> visqueux
<tb> 28% <SEP> 732 <SEP> très <SEP> visqueux
<tb>
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Al20) "4;t:
865 très visqueux Hi203 " 28% 579 fluide PbO-Cz,Û " 8% 785 visqueux V205 " ' 13 760 fluide
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<tb>
<tb> 45% <SEP> 482 <SEP> visqueux
<tb> la <SEP> 205 <SEP> " <SEP> 5% <SEP> 802 <SEP> fluide
<tb> 17% <SEP> 816 <SEP> fluide
<tb> 33% <SEP> 788 <SEP> fluide
<tb>
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PbO-XoO3 " 18 788 fluide ?bO-Wo3 " 29% 724 fluide Sn203 " (diagramme de phast incoat- fluide 2"3 plot) B20 3 "l2;( 496 fluide T102 " 3% 816 fluide 8nO2 " 1.5% 854 très visqueux P25 " 5 816 fluide
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<tb>
<tb> 9% <SEP> 843 <SEP> -
<tb> 25% <SEP> 816 <SEP> fluide
<tb>
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Cu2o "18% 682 Cré visqueux
Un équilibre convenable doit être obtenu pour produire une matière antifriction possédant la meilleure combinaison de
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qurlités de frottement et de résistance mécanique.
Aveu une ma-
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trice en cuivre, on estime que l'addition de $% en poids d'un mélange à base d'oxyde de plomb, tel que par exemple PbO - 8
SiO2, donne une amélioration substantielle des caractéristiques de frottement, comparativement au cuivre non allié. Au-dessus de 20% en poids d'oxyde, la résistance du matériau composite, de même que la résistance à l'usure pendant le frottement, si trouvent réduites. Le meilleur taux en oxyde, pour la plupart des applications parait se situer entre 10 et 15% en poids.
L'élément métallique composite est rendu dense jusqu'à un degré notablement inférieur à la densité théorique.de sorte que l'élément peut être imprégné d'un lubrifiant pour réaliser un élément antifriction autolubrifiant, si de telles propriétés sont désirables. Il a été trouvé qu'une porosité de 10% dans une matrice compactée permet la rétention d'une certaine quanti- té d'huile et permet un certain degré de conformabilité à l'in- térieur du matériau.
Le procédé de transformation du matériau composite ci-dessus décri!: en un élément compact et fritte est décrit en deux parties. La première partie se rapporte à la structure composite frittée et massive, tandis que la seconde partie a trait un doublage métallique, constitué de ce matériau composite et lié à un élément-support en acier. Il est essentiel pour les deux procédés que le frittage du matériau composite de la matrice s'effectue en présence de l'oxyde de plomb ou de ses alliages.Ce facteur est d'importance primordiale.
Dans le procédé relatif à la structure composite,les matières de la matrice sont tout d'abord mélangées à fond avec un lubrifiant do manière à enrober les particules de cuivre, pour réduire les forces de friction qui se développent entre les particules et la paroi de la cavité de formage pendant l'opération de pressage. Il est cependant tout à fait possible de presser ce? poudres sans l'addition d'un lubrifiant.Cependant, en vue de prolonger la durée d'usage des outils et de permettre une plus
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grande vitesse de pressage, il est souhaitable qu'un lubrifiant soit ajoute au mélange.
Il a été trouvé que le mieux est de mélanger les particules de cuivre avec de l'acide stéarique pendant un quart d'heure avant d'ajouter le mélange à base d'onde le mélangeage t'effectuant ensuite pendant trois quarts d'heure.
En mélangeant d'abord les particules de cuivre et le lubrifiant celui-ci a plus de chances d'enrober la poudre de cuivre et la ten dance à la formation de masses oxyde/lubrifiant est grandement réduite.
Le produit résultant du mélangeage est ensuite rendu compact à l'aide de dispositifs de pressage automatiques conventionnels. La densité avant frittage à laquelle sont pressés les matériaux a une certaine importance. Une densité avant fritta- ge de 7,3 g/cm3 présente \le nombreux avantages.Cela correspond approximativement à 83% environ de la densité théorique du ma tériau composite. Des densités dépassant 7,3 g/cx3 ont tendance à faire dégorger l'oxyde pendant l'opération de frittage.Cela se produit parce que les oxydes fondent et se dilatent et,si cette dilatation ne peut pas être résorbée par une porosité interne, l'oxyde tend à effectuer une exsudation hors du produit compacté.
Pour réaliser une telle densité, il faut une pression de compactage proche de 50.000 livres par pouce carré.
Le mélange compacté de particules de poudre est ensuite fritte en deux stades.
La première partie du frittage en deux stades consti- tue un traitement de pré-oxydation afin de réaliser un film d'oxyde.cuprique autour des particules de cuivre. En général, ce traitement et effectué à une température comprise entre 371 à 538OC: On préfère la température de 425*C qui parait donner une oxydation contrôlée sans exposition prolongée à cette température.
Selon la masse de la pièce traitée, on applique des temps de l'ordre de 10 à 15 minutes, à cette température.! des
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températures plus élevées, il est naturellement possible de ré- '
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duire le facteur teLps,, cependant des températures substantiellement supérieures à .25 C causent la formation d'oxyde cuivreux Cu2o). Toutefois, un tel revêtement n'est pas aussi tena ce que l'oxyda cuivrique (CuO) et dans certains cas il s'effrita i facilement du cuivre.
Ce traitement de pré-oxydation avant fritta- ge est désirable pour deux raisons essentielles:
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1) Il élimine le plombl libre formé par la décomposition du lubrifiant ! pourrez 20) Il donne une structure de surface ayant des caracté ristiques de frottement optimales.
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Avec l'addition de CuO , le point de fusion du , PbO est abaissé de ce fait, passant de 388S à 6820C. Apparemment une relation similaire doit exister également pour le système PbO-CuO .Lorsqu'un film de CuO est présent sur chaque particule de cuivre, le frittage au-dessus de 682 C a pour résultat un "mouillage" de toutes les surfaces de cuivre avec du PbO ou, long que celui-ci- a été préalablement allié, un mélange riche en PbO.
Un tel comportement permet à l'oxyde d'être à la surface de la pièce, après frittage. Par conséquent;, un matriçage ou un cali-
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brage subséquent peuvent rendre la pièce tout-a-fait utilisable sans la nécessité d'un usinage.
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La présence d'un film de euo répond à une autre font- tion pendant le processus de frittage. Tout plomb métallique qui se forme du fait de la combustion du lubrifiant en poudre
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réagit, une fols à l'état ia fusion, avec le CuO et cause une réduction thermique produisant du Cu métallique et du PbO.
De cette manière, la présence de Pb peut être presque complètement éliminée du produit composite.
Il est implicitement entendu, dans la description ci-dessus, que le traitement de préoxydation n'est pas une condition stricte pour la production d'un matériau composite de Cu et PbO. Cependant, ce prétraitement offre des avantages con-
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sidérables, pour permettre la fabrication par des moyens con- ventionnels de la métallurgie des poudres ainsi que pour la pro- duction d'un matériau final possédant des propriétés optimales de résistance et ue frottement.
Le matériau compact préoxydé est alors fritte pour renforcer la liaison entre les particules de cuivre et obtenir une liaison entre le PbO ou les mélanges à base de PbO et les particules de cuivre. Bien que la température requise pour le frittage ne soit pas critique, il a été trouvé que le mieux est de fritter au-dessus du point de fusion de l'addition d'oxy- de. Une garnie de température de 760 à 925*C est généralement applicable aux compositions de la présente invention. Ainsi, pour le PbO qui fond à 888 C, le frittage peut être effectué entre 899 à 954 C.
D'autre part, par exemple pour l'alliage binaire PbO-8 SiO2, qui fond entre 677 C et 732 C, le frittage peut être effectué entre 816 à 843 C. La durée préférée du main- tien de la température ue frittage, pour obtenir des propriétés de résistance reproductibles, parait se situer à' 15 minutes environ, $eien que est aspest de l'@@@@atien ne seit pas trep critique. Etant donné que le PbO est facilement réduit en Pb métallique, le frittage ne peut pas être réalisé en utilisant une atmosphère réductrice, telle que l'hydrogène, des gaz d'am- moniac endothermiques, exothermiques ou dissociés. On utilise un gaz inerte tel que l'argon ou l'azote.
Bien que normalement le frittage du cuivre non allié en atmosphère inerte ne soit pas tout à fait aussi efficace que lorsqu'on utilise un gaz rédu teur, il convient de noter que cette difficulté est surmontée par l'addition de PbO ou de ses alliages, à la poudre de Cu, étant donné qu'au cours du frittage une certaine quantité de PbO se vaporise et se combine en tait avec tout CuO ou Cu2O présent, en laissant une surface de cuivre propre.
Lors du frittage du matériau ,comme Indiqué ci-dessus, il est désirable de refouler ou matricer le matériau compact. Ce- ;
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ci peut être effectué en utilisant le même outil que celui utili- sé pour compacter la substance compacte verte, car le processus ' de frittage n'entraîne que très peu de changement dimensionnel.
Normalement, la pression appliquée pendant l'opération de compac- tage peut également être appliquée pour matricer le matériau compact fritté. La densité spécifique du produit composite final dépendra de l'application à laquelle l'article est destiné . Lors- qu'il existe des conditions de lubrification hydrodynamique et qu'un mine film de lubrifiant doit être maintenu, on désire un matériau ayant presque la densité totale. Un produit composite ayant une densité d'environ 90% par-rapport à la densité théorique (7,93 g/cm3) paraît être le meilleur pour de telles conditions.
La porosité de 10, qui reste dans.ce matériau permet la réten- tion d'une certaine quantité d'huile. Le matériau composite, plus particulièrement ses parties poreuses, est infiltré de lu- brifiant à l'aide des procédés conventionnels d'imprégnation nous vide. Il est évident que lorsque l'on diminue la densité finale, la réserve interne d'huit peut être accrue, se qui rend possible la réalisation d'un matériau composite auto-lubrifiant.
Le procédé de réalisation d'un doublage métallique en poudre frittée sur un support de métal massif de renforcement suit en général le concept de bas de l'invention tel que décrit ci-des- sus. Pour faciliter la liaison du matériau composite avec l'élément- support on acier, ainsi que pour éliminer toute réaction indési- rable entre cet élément et le PbO ou les mélanges à base de PbO,, l'élément-support est plaqué avec une matière de liaison qui a la même caractéristique, en ce qui concerne la formation d'oxyde, que celle décrite plus haut. Ainsi, en général, l'élément on acier est plaqué avec un revêtement de cuivre ou d'argent ou d'un alliage de ceux-ci.
Un film de cuivre de l'ordre de 0,0125 mm à 0,05 mm est suffisant pour la plupart des compositions précitées.De plus fortes épaisseurs peuvent toutefois être nécessaires lorsqu'on emploie des matériau.:: ayant des températures de fusion plus
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élevées*
Les mélanges de poudre de cuivre et d'oxyde sont prépa- rés selon le mode opératoire décrit ci-dessus. Aucun lubrifiant n'est ajouté, car les stade.! opératoires qui nécessitent une toue lubrification sont absents. Le mélange de poudre préparé est ensuite étalé sur la surface plate de la bande faisant face à la couche intermédiaire.
On fait ensuite passer la bande à travers une chan- bre de frittage dans laquelle régnent les conditions requises pour fritterensemble les particules de poudre, de manière à éta- blir des points de contact, c'est-à-dire une cohésion limitée, entre les particules, ainsi que pour réaliser une liaison métallur- gique des particules avec la surface plate de la bande. La tempé- rature pour le frittage de la bande doit normalement: se situer entre 760 à 925 C.pour les diverses compositions dont il a été , question ici. Par exemple, pour un mélange Cu-PbO-SiO2, une tem- pérature de 816*C environ paraît être la plus appropriée.
En général, dans la fabrication des coussinets avec rapport en acier et réalisés par exemple en cuivre-plomb, métal antifriction, ou un matériau à base d'aluminium, le calibrage final est réalisé par un alésage de précision. Ainsi,l'état de la surface de la'bande coulée ou frittée n'est pas important.Dans certains cas cependant, il peut être désirable de former un cous- sinet à partir d'un matériau en bande et de préparer l'alésage final par des techniques de calibrage ou de polissage. En pareil cas, il est souhaitable d'avoir une surface comportant une distri- ' bution d'oxyde optimale. Pour cette raison, le matériau composite fritte libre pourra être préoxydé, traitement comparable à celui utilisé dans le procé à décrit plus haut.
I convient de noter que cette préoxydation doit, de préférence avoir lieu avant l'opé- ration de laminage.
La bande frittée libre est alors laminée avec une ré- duction d'au moins 75% pour augmenter la densité et sa résistance de liaison. La. gamme préférée de densification du mélange de poures
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fritte est de 80% à 95% Ce la densité théorique. La bande estensuite frittée à nouveau, à une température de 760 à 925 C, de façon à fritter et fondre ensemble les points de con- tact des particules,pour @enforcer et améliorer la liaison. Après le nouveau frittage de la bande, le mélange de poudre peut être . ' imprégné sous vide avec un lubrifiant qui remplie les pores restants.
La bande finie est ensuite usinée ou terminée par des procédés conventionnels de manière à obtenir la finition et la structure finale désirables.
Il est bien évident que l'invention n'est pas limitée aux exemples do réalisation, ci-dessus durits et représentés, et à partir desquels on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention.
REVENDICATIONS.
1.- Elément métallique formé d'une matrice composée d'un mélange de poudres métalliques dont les oxydes ont une éner- gie libre de formation plus positive .que celle de l'oxyde de plomb et de particules de poudre comprenant principalement de l'oxyde de plomb, caractérisé en ce que ces-poudres sont frittées ensem- ble et les particules de poudre comprenant principalement de l'oxyde de plomb forment des îlots indépendants et discontinus noyés dans la matrice.