Procédé de fabrication d'un produit métallique poreux, et produit obtenu par mise en #uvre dudit procédé La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un produit métallique poreux. Elle se rapporte en outre à un produit obtenu par mise en #uvre dudit procédé.
Il existe d'une part des corps solides métalliques présentant une bonne résistance et cependant une porosité nulle ou presque nulle à moins que ces corps n'aient été percés mécaniquement de trous.
Il existe d'autre part des corps solides fabriqués à l'aide de métaux en poudre comprimée, mais de tels corps, si l'on désire une porosité suffisante, ré sistent peu à la traction et sont cassants par suite d'une mauvaise agglomération.
Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un produit dans lequel une porosité importante est asso ciée à une grande résistance mécanique. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on forme une masse agglo mérée de fibres métalliques réunies en une masse autoportante, l'agglomération amenant les fibres à adhérer les unes aux autres aux points de croise ments des fibres dans ladite masse. Les fibres utili sées ont de préférence une longueur égale à au moins dix fois leur diamètre moyen, la longueur pouvant varier de 0,05 mm à 60 mm, étant entendu que des fibres de longueurs différentes peuvent être mélan gées.
Dans ces conditions, la porosité du produit peut être comprise entre 11 et 95% et cependant la résistance à la traction peut être comprise entre 857 et 2016 kg/cmË.
De tels produits ou articles peuvent se plier faci lement s'ils sont en feuilles et ils ont une bonne résis tance à l'oxydation.
Le produit ainsi obtenu peut être utilisé pour la confection d'objets de formes diverses, tels que dis- ques, pièces pleines et creuses, feuilles, destinés à la construction de filtres, échangeurs de chaleur, paliers, balais électriques, circuits magnétiques, etc.
On décrit ci-après, à titre d'exemple et en réfé rence au dessin annexé, diverses mises en #uvre du procédé selon l'invention, ainsi que des formes d'exé cution du produit ainsi obtenu.
La fig. 1 représente le schéma d'une installation selon un premier mode d'exécution, pour la fabri cation de feuilles métalliques poreuses.
Les fig. 2 à 4 illustrent un deuxième mode d'exé cution prévu pour la fabrication d'articles creux. Les fig. 5 et 6 représentent un dispositif pour la mise en #uvre d'un troisième mode d'exécution, et les fig. 7 et 8 montrent, vue à deux grossisse ments, une partie du produit ainsi obtenu.
La fig. 9, enfin, illustre un quatrième mode d'exécution. Dans la fig. 1, la référence 10 désigne d'une fa çon générale un réservoir d'alimentation dans lequel une suspension de fibres métalliques est reçue. Le milieu de suspension pour les fibres dépend, dans une large mesure, de la densité des fibres, de leurs dimensions et de leur réaction avec le milieu de sus pension proposé. Par exemple, des fibres de métal, telles que des fibres d'acier inoxydable, de nickel, sont relativement inactives en ce qui concerne l'oxy dation et peuvent être suspendues sous forme de par ticules de dimensions convenables dans de l'eau.
Ce pendant, des fibres en fer ou en substances analogues qui doivent être protégées de l'oxydation, doivent être suspendues dans des liquides non aqueux, tels que de la glycérine et des huiles de pétrole.
D'une façon générale, la suspension employée dans le réservoir d'alimentation 10 doit être relati vement diluée et, dans ce mode d'exécution, elle est constituée par environ 5 à 10'% en poids de fibres. Les fibres elles-mêmes peuvent être formées de toutes façons convenables, telles que par broyage, mouture, etc. Pour réaliser une dispersion uniforme des fibres, on agite le milieu de suspension avec les fibres au moyen d'un dispositif agitateur convenable.
Si l'arti cle fini doit avoir un arrangement de fibres de di mensions plus- ou moins uniformes, l'agitation peut être suivie par une opération de classification qui, au moins grossièrement, classe les fibres dans diffé rentes gammes de dimensions.
La suspension de fibres métalliques s'écoule du réservoir 10 sous forme d'une dispersion uniforme sur un organe 11 portant des ouvertures, soit, dans ce mode d'exécution, un treillis formeur à mailles fines, qui se déplace en une boucle sans fin entre une paire de rouleaux espacés 12 et 13. A titre de variante, une couche de papier poreux ou de subs tance analogue peut être étendue sur la face externe du treillis de formation 11 pour la réception des particules en suspension. Dans l'un ou l'autre cas, la surface de formation doit permettre le passage du liquide servant de milieu de suspension, à travers la surface, mais doit retenir les fibres de métal.
Pour aider à enlever le milieu de suspension lors de la formation de la feuille de fibres métalliques, le treillis de formation 11 transporte la suspension sur une paire de boîtes de succion 14 et 16, qui soumet tent la feuille à une dépression pendant sa formation.
Après la formation initiale de la feuille, celle-ci est consolidée en la faisant passer dans. l'étrangle -ment d'une paire de rouleaux de pression coopérants 17 et 18, qui reçoivent la feuille formée du treillis de formation 11. La pression sur la feuille aide à obtenir l'adhésion des fibres les unes aux autres aux points de croisements des fibres, formant ainsi une masse autoportante.
L'adhésion des fibres entre elles est obtenue, en outre, par passage dans un four d'agglomération 19 pour produire des liaisons intermétalliques aux points de contact dans la masse de fibres.
Les conditions d'agglomération des fibres de mé tal sont analogues à celles employées pour l'agglo mération de particules de poudre métallique corres pondante, excepté qu'il peut être souhaitable d'élever la température d'environ 38 à 75 degrés centigrades au-dessus de celles employées pour l'agglomération des poudres de la même composition, puis de main tenir la feuille dans le four d'agglomération pendant un temps légèrement plus long qu'on le ferait avec des poudres métalliques. Une atmosphère non oxy dante est également nécessaire dans le four d'agglo mération, de façon à éviter l'oxydation.
La feuille agglomérée quittant le four d'agglomé ration 19 contient un réseau de fibres entrelacées et reliées solidement entre elles, dans lequel pratique ment toutes les fibres sont soudées aux fibres adja centes en plusieurs points de leur longueur. Ce type de structure fournit une feuille remarquablement so lide et extrêmement poreuse.
Si on le désire, l'épaisseur de la couche peut être renforcée par des dépôts successifs de fibres de métal sur le treillis de formation. A cet effet, dans une variante non représentée, un second réservoir d'ali mentation est placé à la suite de la boîte à succion 16 pour déposer une seconde couche de fibres sur la couche déposée initialement. Dans certaines appli cations, il est désirable d'éviter une orientation trop prononcée des fibres de métal dans la direction de déplacement de la couche, c'est-à-dire dans la di rection de traitement de la couche formée.
Dans ce but, on utilise dans une deuxième variante non re présentée un champ magnétique agissant lors du se cond dépôt de fibres sur la feuille, pour orienter la seconde couche de fibres dans une direction à angle droit ou à un angle donné par rapport à la direction prédominante de la première couche de fibres. Cette orientation est possible parce que le champ magné tique a peu ou pas d'effet sur les fibres déjà nattées et entrelacées de la première couche, alors qu'il agit sur les fibres déposées en dernier qui sont toujours en suspension dans le milieu de suspension.
Le dispositif de moulage représenté à la fig. 2 est destiné à la fabrication d'articles de forme com plexe. Ce dispositif comprend un récipient 20 rempli d'une suspension 21 de fibres métalliques dans un milieu de suspension approprié. Un agitateur 22 em pêche le dépôt des fibres de métal au fond du réci pient. Un noyau poreux 24 ayant une cavité 24a con nectée à un appareil de production de vide par une conduite 25, est immergé dans la suspension 21 afin de recevoir un dépôt de fibres provenant de la sus pension contenant les fibres. Un capuchon imper méable 26 de fermeture assure une séparation her métique entre le noyau 24 et l'atmosphère lorsque le noyau 24 est immergé dans la suspension 21 jus qu'au niveau du bouchon 26.
Lorsque le noyau 24 est immergé dans la suspension 21, une accumula tion de fibres métalliques se produit sur la partie immergée du noyau 24 en raison de l'action du vide à travers les parois poreuses du noyau 24. Le milieu de suspension peut être récupéré au moyen d'une trappe placée dans l'appareil de production du vide et peut être réutilisé.
L'apparence de la masse nattée crue après l'enlèvement du noyau représenté dans la fig. 2, est représentée dans la fig. 3. Cette masse a l'aspect d'une coupe 30 grossièrement formée de fibres mé talliques 27 et sa porosité est extrêmement élevée. Pour certaines applications, particulièrement pour l'usage comme élément de filtre, une telle porosité élevée est désirable et doit être conservée dans l'arti cle final, de sorte que l'on fait passer directement la coupe 30 dans le four d'agglomération dans lequel la masse est renforcée par production de liaisons au togènes métal à métal entre les fibres entrelacées.
Dans certains cas cependant, il est avantageux de comprimer la masse crue avant l'agglomération, de façon à accroître la densité de celle-ci, tout en lui conservant une porosité de 30 à 95%. Généra lement, les produits préférés du présent procédé ont une porosité comprise entre environ 50 et 95%. Pour des éléments de filtre, cette porosité peut se trouver comprise entre environ 70 et 90%. Avec des porosités aussi élevées, la chute de pression du courant de fluide à travers le filtre est très faible.
L'aspect de la masse crue après la compression dans une matrice d'étampage ou organe analogue, est représenté dans la fig. 4. La coupe 35 représentée dans la fia. 4 a été comprimée hydrostatiquement pour obtenir la densité désirée préalablement à l'ag glomération. La coupe comprimée 35 est alors agglo mérée. Dans certains cas, des avantages additionnels peuvent être obtenus en comprimant et agglomérant la masse une nouvelle fois.
Un autre appareil pour la préparation de la masse crue est représenté sous une forme quelque peu sché matique dans les fig. 5 et 6 des dessins. L'appareil lage représenté comprend une matrice flottante 36 fournissant une cavité de moulage 36a dans laquelle des fibres métalliques sèches 37 sont introduites di rectement. Deux poinçons 38 et 39 peuvent se dé placer l'un par rapport à l'autre, comme on le voit dans la fig. 6, pour comprimer les fibres 37 jusqu'à la densité désirée pour la masse finale. Cette densité peut approcher la densité théorique du métal utilisé, ou elle peut être seulement une petite fraction de la densité théorique, suivant l'usage auquel le produit est destiné.
La structure du produit aggloméré est représentée dans les fig. 7 et 8. Comme il est évident d'après ces deux figures, les fibres 27 sont mécaniquement entrelacées avec les fibres voisines, ce qui aide à em pêcher un mouvement relatif entre les fibres. La liaison entre les fibres 27 (fig. 8) se produit par des surfaces de contact 29 relativement grandes. Elle consiste en une soudure autogène provoquée par le maintien de la masse à la température d'agglomé ration jusqu'à ce qu'il en résulte une agglomération convenable du métal.
La surface étendue de liaison rendue possible par l'emploi de fibres métalliques ainsi que l'adhérence et l'accrochage mécanique pré cédemment mentionnés, sont considérés comme étant principalement à l'origine des propriétés physiques avantageuses du produit obtenu par mise en #uvre du présent procédé.
Dans le mode d'exécution illustré dans la fig. 9, les fibres 31 sont pourvues chacune d'un revêtement de surface consistant en un agent de brasage tel que le cuivre. La masse est alors passée dans un four de traitement thermique où la température employée est suffisante pour faire fondre ou, du moins, ra mollir l'agent de brasage pour l'amener à couler dans les jonctions entre les fibres. Lors du refroidissement de la masse, la composition de brasage se solidifie pour former des dépôts 33 du métal de brasage qui fixent les fibres de la natte en une masse cohérente.
Des tests ont indiqué que, pour une porosité donnée, une masse produite à partir de fibres métal liques est considérablement plus forte au point de vue résistance à la traction qu'une masse produite à partir de poudres métalliques de même composi tion chimique.
Par exemple, le tableau suivant indi que les résistances à la traction de pièces en poudre de fer et de pièces en fibres de fer, chacune de teneur maximum en carbone de 0,101% en poids.
EMI0003.0015
TABLEAU <SEP> I
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> de <SEP> corps <SEP> de <SEP> poudre <SEP> de <SEP> fer
<tb> et <SEP> de <SEP> corps <SEP> de <SEP> fibres <SEP> de <SEP> fer
<tb> (0,101% <SEP> de <SEP> carbone <SEP> au <SEP> maximum)
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> Porosité <SEP> en <SEP> 1%
<tb> (kg <SEP> par <SEP> cm-)
<SEP> Corps <SEP> en <SEP> poudre <SEP> Corps <SEP> en <SEP> fibres
<tb> 528 <SEP> 32 <SEP> 50
<tb> 775 <SEP> 29 <SEP> 40
<tb> <B>1060</B> <SEP> 23 <SEP> 30 La résistance au choc des corps en fibres de mé tal est remarquablement supérieure à celle des corps à base de poudres de métal. Les échantillons utilisés pour l'essai au choc sont des barres non entaillées de 1,25X0,51 cm.
Ces échantillons ont été cassés dans une machine d'essai au choc a Baldwin Sonn- tag de 3,45 kgm avec les résultats suivants
EMI0003.0024
TABLEAU <SEP> II
<tb> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> de <SEP> corps <SEP> en <SEP> poudre <SEP> de <SEP> fer
<tb> et <SEP> de <SEP> corps <SEP> en <SEP> fibres <SEP> de <SEP> fer
<tb> Porosité <SEP> en <SEP> 1%
<tb> Energie <SEP> Corps <SEP> Corps <SEP> Corps
<tb> d'impact <SEP> entièrement <SEP> en <SEP> poudre <SEP> entièrement
<tb> <U>en <SEP> kgm <SEP> en <SEP> po</U>udre <SEP> et <SEP> en <SEP> fibres <SEP> en <SEP> fibres
<tb> 0,14 <SEP> 30 <SEP> - <SEP> (85)
<tb> 0,28 <SEP> 22 <SEP> 35 <SEP> (70)
<tb> 0,55 <SEP> (17) <SEP> - <SEP> 45
<tb> 0,
83 <SEP> - <SEP> - <SEP> 27
<tb> plus <SEP> de <SEP> 3,45 <SEP> - <SEP> - <SEP> 18'r Le signe 'r signifie que l'échantillon ne s'est pas brisé. Le signe ( ) signifie qu'il s'agit de valeurs extrapolées.
Il a été intéressant de noter, en relation avec les essais au choc, que les types de fractures ont été très différents. Dans le cas de masses de fibres mé talliques, la rupture est le plus souvent produite dans la fibre plutôt que dans les liaisons inter-fibres. Dans le cas de masses de poudre métallique, la rupture se produit sous forme d'une fracture de fragilité, au point de l'impact.
On donne ci-dessous un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, en décrivant cer taines des propriétés physiques du produit ainsi obtenu. Deux qualités de laine d'acier inoxydable (type 430) ont été employées comme matière première. La qualité la plus fine a une section moyenne de fibres de 25 ¿ 10-6 ce environ, et la qualité la moins fine a une section moyenne de fibres de 68X10-6 cm2. Les fibres les plus fines ont été coupées à une longueur de 0,8 cm, si bien que le rapport de la lon gueur au diamètre des fibres est d'environ 150. Les fibres les plus grossières ont été coupées à une lon gueur de 1,27 cm, si bien que leur rapport de la longueur au diamètre est d'environ 120.
Les fibres fines et grossières ont été dispersées séparément dans un mélangeur. Les fibres ont été déposées à partir d'une suspension sur une surface de formation poreuse dans un filtre à vide. Les disques formés ont été retirés et pressés à froid, les fibres fines étant pressées à une pression de 1535 à 7700 kg par ce, et les fibres grossières à une pression de 4605 kg/ce à 10 700 kg/ce. Tous les disques ont été agglomérés à 1315 C pendant une heure, dans une atmosphère d'hydrogène pur. Certains des dis ques ont été étampés, dans les mêmes conditions que celles données pour le passage à froid, puis agglo mérés à nouveau à 1315 C pendant une heure.
Les propriétés physiques et mécaniques des dis ques obtenus sont données ci-dessous :
EMI0004.0003
TABLEAU <SEP> III
<tb> Propriétés <SEP> physiques <SEP> et <SEP> mécaniques <SEP> des <SEP> disques <SEP> de <SEP> fibres <SEP> métalliques <SEP> en <SEP> acier <SEP> inoxydable
<tb> Coefficient <SEP> de <SEP> perméabilité
<tb> Type <SEP> de <SEP> fibre <SEP> Porosité <SEP> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> (Loi <SEP> de <SEP> Darcy)
<tb> Fine <SEP> ........ <SEP> 32,2% <SEP> 858 <SEP> kg/ce <SEP> 2,25. <SEP> 10-10 <SEP> ce
<tb> Fine <SEP> ........ <SEP> 29,0% <SEP> 1.596 <SEP> <SEP> 0,77 <SEP>
<tb> Fine <SEP> ........ <SEP> 37,7% <SEP> 1.071 <SEP> <SEP> 4,00 <SEP>
<tb> Grossière <SEP> .... <SEP> 27,6% <SEP> 1.386 <SEP> <SEP> 5,7 <SEP>
<tb> Grossière <SEP> ....
<SEP> 29,7% <SEP> 1.225 <SEP> <SEP> 5,2 <SEP>
<tb> Grossière <SEP> .... <SEP> 15,7% <SEP> 1.631 <SEP> <SEP> 1,5 <SEP>
<tb> Grossière <SEP> .... <SEP> 11,7% <SEP> 2.016 <SEP> <SEP> 0,38 <SEP> De nombreuses modifications peuvent être appor tées aux modes d'exécution décrits ci-dessus. Par exemple, pour favoriser l'adhérence et l'accrochage mécanique entre les fibres, les surfaces de fibres peu vent être rendues rugueuses afin de former de petites projections ou barbes le long des fibres.
Une autre variante consiste à utiliser différents types de métaux pour former la masse, l'union entre les fibres étant produite par alliage superficiel sous l'influence d'un traitement thermique approprié. Dans une autre variante, le corps est constitué par des fi bres de métal de dimensions différentes, de sorte que sa porosité peut varier d'une extrémité à l'autre.