* Lames en acier fritté. Technologie des poudres *

  • Vous trouverez dans cette rubrique, un article sur la fabrication des poudres ultra-fines en vue de l'élaboration de lames de couteaux en acier fritté.

* Fabrication des poudres fines et ultra-fines *


- Quelques rappels pour mémoriser:

  • 1 mm = 0.001 m    (1 millimètre) 
  • 1 µm  = 0.001 mm (1 micromètre)
  • 1 nm  = 0.001 µm  (1 nanomètre)

  • Il existe trois grandes classes de procédés de fabrication de poudres fines : les procédés mécaniques, physiques et chimiques. Les procédés mécaniques et physiques sont des techniques utilisées quotidiennement par l'industrie alors que les procédés chimiques sont encore au stade de recherche en laboratoire. Les poudres obtenues sont ensuite soumises à des procédés de conditionnement visant à empêcher toute dispersion et à garantir leur innocuité avant leur incorporation dans des matrices pour obtenir des objets.

  • Ces procédés se distinguent également par leur capacité de production. Certains sont déjà très largement utilisés dans l'industrie, d'autres sont spécifiques aux activités de laboratoire et de recherche.

  • 1) Procédé mécanique de fabrication des poudres fines : La "mécanosynthèse".

  • On part généralement de poudres micrométriques  (de 10 à 50 µm) de métaux ou d'alliages très purs . La mécanosynthèse consiste à faire subir à ces poudres micrométriques une série de broyages successifs afin d'obtenir des poudres de l'ordre du micromètre (µm) ou micron (µ) . Ces poudres sont alors introduites dans un conteneur scellé , agité fortement en présences de billes de tungstène dont le mouvement accroît l'énergie du système . La poudre est alors affinée et étudiée en continu jusqu'à l'obtention de la taille micrométrique désirée, généralement de 0.1 µm à 0.8 µm .
  • Ces méthodes mécaniques, issues directement de procédés bien maîtrisés pour des matériaux classiques, sont probablement celles qui sont les plus utilisées aujourd'hui et qui conduisent aux plus fortes productivités (plusieurs tonnes / heure). Elles sont connues sous le terme générique de « mécanosynthèse ». Cette méthode de production de poudres fines est celle retenue pour la fabrication d'acier fritté de coutellerie, ainsi que pour l'élaboration de  beaucoup de pièces industrielles telles que des engrenages de boites de vitesse pour automobile, pignons de dérailleurs etc...

  • 2) Procédé Physique d'élaboration des nanoparticules. On ne parle plus ici de poudres ultra-fines sinon de nanoparticules. 1 nm = 0.001 µ (ou µm). Ces poudres ultra-fines de 20 à 80 nm (0.02 à 0.08 µm) intéressent avant tout l'industrie informatique, ainsi que les fabricants de semi-conducteurs.

  • Les méthodes physiques de fabrication des nanoparticules font toujours intervenir le changement d'état vapeur-liquide en phase saturée en atomes ou en ions métalliques. La condensation brutale de la vapeur métastable dans un gaz inerte (généralement l'argon) favorise la germination de très petits agrégats dont la croissance est à l'origine de la production de poudres ultra-fines. La vitesse de refroidissement et la densité de la sursaturation locale influencent la finesse des poudres obtenues.

  • Il y a plusieurs techniques possibles mais la plus utilisée est celle de L'évaporation-condensation, sous pression partielle inerte ou réactive. Elle permet d'obtenir en condition industrielle (plusieurs dizaines de tonnes par an) des nano-particules métalliques. Cette méthode consiste à évaporer un métal par chauffage puis à condenser la vapeur métallique afin d'obtenir une poudre de taille nano-métrique. Les conditions opératoires, le recours à une atmosphère réactive ou non, dépendent beaucoup de la nature chimique des poudres fabriquées. Ainsi, en atmosphère oxydante on peut obtenir, en particulier, des nano-poudres d'oxydes métalliques. Cette technique permet d'obtenir des poudres beaucoup plus fines qu'avec la technique de mécanosynthèse. Par contre, cette méthode ne permet d'obtenir que quelques dizaines de tonne par an et donc reste un procédé très onéreux destiné à la fabrication de puces, semi-conducteurs et processeurs pour l'industrie informatique. 

  • 3) Conditionnement . Après avoir été produites, les nano-poudres doivent être conditionnées. En effet, elles sont très pulvérulentes et présentent la propriété d'occuper spontanément l'espace disponible et, de façon antagoniste (mais non contradictoire), en raison de leur forte énergie de surface, elles ont spontanément tendance à s'agglomérer. Il est impératif d'être conscient que en dessous de 0.1 µm les poudres sont hyper-dangereuses . Il convient donc de prévenir les risques d'explosion, toujours très présents en raison de la forte réactivité de surface des nano-particules. Ces nano-poudres sont donc méticuleusement stockées, généralement en atmosphère d'azote ou d'argon.  Il faut se rendre compte que les nano-poudres peuvent être également dangereuse pour la santé, attaquent  poumons et passent à travers les pores de la peau. L'usage de scaphandre est nécessaire au travail des nano-poudres.

  • 4) Poudres pour frittage en coutellerie. Nous ne parlerons ici que les techniques utilisées pour la fabrication des lames d'aciers frittés.
 
  • Le mélange de poudres obtenues par mécanosynthèse est la première étape du processus de fabrication proprement dit et est réalisé grâce à l'utilisation d'un conteneur scellé. Cette étape de mélange des poudres peut durer plusieurs heures.

  • Les principaux éléments du mélange de poudres sont l'adjonction des éléments d'alliage à la poudre de base (typiquement du Fe avec des adjonctions de C, Cu, Co, Cr, Ni, Mo, Cr, P, Mn, V, W, Si, et S selon l'acier désiré), ainsi que, éventuellement,  l'addition d'un produit lubrifiant pour faciliter le compactage de la poudre pendant la compression. Les poudres utilisées doivent être de tailles micrométriques voisines. Pendant le mélange et la manipulation ultérieure, il est impératif de garantir l'homogénéité du mélange de poudre, car c'est la condition préalable afin de limiter au maximum les variations dans les processus ultérieurs.

* Compression et compactage des poudres *



  • Il existe différentes formes de compression de poudre. La méthode la plus utilisée est celle utilisant  la compression de poudre traditionnelle sur des outils fixes.

  • Dans ce processus, la poudre est placée dans le récipient de poudre en haut de la presse, qui peut être soit hydraulique, soit mécanique.

  • Une quantité de poudre contrôlée s'écoule par gravité vers un sabot de remplissage qui répartit la poudre dans une cavité dans la matrice.               
  • A une pression typique de 5 à 7 tonnes par cm² de surface projetée transversalement à la direction de la presse, on compacte la poudre entre un jeu de poinçons inférieurs et un jeu de poinçons supérieurs. Puisque les grains de poudre ont une forme extrêmement irrégulière, ils s'engrènent les uns dans les autres pendant la compression, afin d'adhérer mécaniquement ensemble, et il se produit un soudage à froid aux points de contact entre les différents grains de poudre.

  • Les grains comprimés ensemble créent ainsi un objet, qu'on désigne comme une «ébauche verte», qui est ensuite poussée hors de l'outil de compactage et écartée du sabot de remplissage, en même temps que le remplissage suivant a lieu.

  • Ces "ébauches vertes" ont une taille et une forme à peu près équivalentes à celles de la pièce recherchée et sont suffisamment solides pour pouvoir être manipulées et transportées plus loin vers le processus suivant, qui est le frittage.

* Frittage *


  • Après la compression, les ébauches doivent être frittées pour acquérir les caractéristiques souhaitées.

  • Les pièces obtenues sont dans un premiers temps chauffées lentement à une température de 180-250°C. Cette étape s'appelle le déliantage.  Cette étape préliminaire au frittage,  permet l'évacuation des différents solvants (liant, diluant, dispersants, additifs) qui enrobent les particules à fritter. Cette étape est primordiale pour préparer le frittage car elle évite la formation de défauts graves dans la pièce frittée dus à l'emprisonnement dans les pores de gaz provenant des composés organiques présents initialement dans l'échantillon.

  • Le frittage permet d'obtenir les caractéristiques mécaniques finales, car aussi bien les caractéristiques générales ainsi que la résistance à la corrosion des pièces en acier inoxydable peuvent être modifiées de manière significative.

  • Le frittage s'effectue généralement dans un four sous une atmosphère contrôlée.

  • Le frittage est un traitement thermique qui est typiquement appliqué à une température de quelques centaines de degrés en-dessous de la température de fusion du matériau de base. Ainsi, l'acier de coutellerie est généralement fritté à 1120 °C.               
  • Pendant le frittage, les grains de poudre de l'ébauche s'amalgament ensemble par un processus de diffusion atomique, et on crée ainsi les caractéristiques finales.

  • A l'exception d'une contraction de frittage mineure, on conserve la géométrie de l'ébauche qui a été réalisée par la compression.

  • Le frittage est effectué dans un gaz de protection et dans des conditions rigoureusement contrôlées dans un four, constitué par une zone de préchauffage (où le produit de lubrification contenu dans le mélange de poudre est expulsé: étape de déliantage), une zone de frittage et une zone de refroidissement.

  • Le frittage constitue la fin du processus de base de la métallurgie des poudres.

  • En fonction des exigences imposées à la pièce finie, on continue souvent avec un ou plusieurs traitements ultérieurs.

  • L'une des caractéristiques spéciales des matériaux frittés est qu'ils sont poreux. C'est une caractéristique qu'on exploite pour la fabrication de pièces frittés  telles que paliers et engrenages à auto-lubrification. Dans la plupart des cas, la porosité n'a pas d'importance pratique. Dans d'autres cas, la porosité est indésirable et doit donc être supprimée.  Dans de tels cas, on scelle les porosités. On peut le faire par imprégnation avec un polymère (matière plastique), un traitement à la vapeur, ou par une infiltration avec un métal qui a un point de fusion plus bas que la pièce elle-même.

  • L'acier obtenu par frittage peut subir les même traitements thermiques que les aciers fabriqués par les méthodes classiques . Cela signifie que les processus qui sont appliqués sont les mêmes que ceux appliqués à l‘acier massif, et l'objet du traitement thermique est typiquement le même que celui qu'on exerce sur l'acier massif. Il peut s'agir par exemple d'accroître la solidité, la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la corrosion.
  • La trempe est effectuée sur des pièces qui ont une teneur en carbone relativement élevée, typiquement plus de 1% de C. Les pièces sont trempées à cœur et acquièrent une grande solidité et une grande dureté. En raison de la trempe à cœur, il faut s'attendre à quelques  changements dimensionnels.

  • La présence de "pores" de l'acier fritté facilite les opérations de soudage avec d'autres aciers, ainsi que des opérations de traitement de surfaces tels que chromage, nitrocarburation, carbonitruration  etc...
  • Le chromage est souvent effectué lorsqu'on souhaite obtenir un revêtement de surface décoratif qui apporte en même temps une protection contre la corrosion.

  • Il est important de souligner, que quel que soit le type de traitement de surface, on ne peut normalement pas s'attendre à obtenir exactement la même résistance à la corrosion de l'acier fritté traité que celle que ce traitement de surface confère au matériau massif. C'est dû au fait que la structure poreuse du matériau de base de l'acier fritté a une surface active nettement plus grande qui peut être attaquée par la corrosion.

  • Les aciers frittés ne sont pas utilisés en l'état. Par exemple HATTORI fabrique beaucoup de lame en acier COWRY-X (Core) en sandwich entre 2 couches de damas inox-Nickel. G.SAKAI fabrique des lames en ZDP-189 (Noyau) entre 2 couches d'acier ATS-55 (lame KITANO). Fällkniven utilise l'acier 3G pour l'élaboration de leurs modèles haut de gamme : VG2/SGPS/VG2. Les lames en acier fritté servent donc comme noyau (Core) aux lames les plus prestigieuses des meilleurs coutelleries mondiales.

  • On peut par frittage, obtenir directement des lames aux dimensions prédéterminées. C'est surtout vrai pour certains couteaux de formes très populaires tels que des "Santoku".  Par contre on fabrique surtout des plaquettes en aciers frittés, servant de base à l'élaboration de noyaux de lame "sandwich" par la technique de "stock removal".


* Avantages et inconvénients de l'acier fritté *


  • L'avantage essentiel des lames en acier fritté réside dans le tranchant obtenu avec ces lames. L'acier fritté étant réalisé avec des poudres ultra-fines (< 0.8 µ) l'arrête du fil  de cette lame peut être inférieure au micron (µm), ce qui est impossible d'être obtenu avec les aciers conventionnels les plus performants. Acier fritté = Tranchant exceptionnel

  • La dureté des aciers dépend avant tout de la concentration de carbone de l'alliage. Les aciers alliés Hypereutectoïdes les plus carburés, ont une limite de 2.11% de C. Au delà on produit de la fonte . Cependant étudions l'acier Cowry-X et l'acier ZDP-189:
  • Cowry-X: Cr: 20% - C: 3.0% - V: 0.3% - Mo: 1.0%  Dureté : 66-67 HRC
  • ZDP-189: Cr: 20% - C: 3.0% - V: 0.1% - Mo: 1.3% - W: 1.5%  Dureté : 67-68  HRC
  • Nous voyons ici des alliages très spéciaux qui sans frittage ne pourraient pas exister. En effet des concentrations de C > 2.11% ne peuvent pas exister dans des aciers. Ces alliages produits par les aciéries nippones ont des caractéristiques physiques exceptionnelles. Remarquables tranchants alliés à des duretés inégalées. Du jamais vu !
  • Les aciers frittés produits par l'industrie métallurgique américaine sont d'excellentes qualités, par contre leurs duretés ne dépassent pas 63 HRC. Il en est de même pour l'acier SGPS utilisé par Fällkniven.
  • Si toutes les lames réalisées en aciers frittés présentent des tranchants remarquables, elles sont toutes très onéreuses. Quelques fois, il peut exister des ambiguïtés; Ainsi "Crucible Metalurgie Inc" fabrique deux excellent aciers: L'acier 154CM et l'acier CPM-154. L'acier 154CM fut développé pour rivaliser avec l' ATS-34 japonais, mais ce n'est pas un acier fritté. Il n'a jamais pu s'imposer car plus chère que l'ATS-34 et un peu moins performant. L'acier CPM-154 est le même acier mais fritté. Et là c'est du très bon ! Le prix aussi. (CPM: P de particules). Il existe un excellent acier japonais aux propriétés mécaniques remarquables appelé G3 : Gingami N°3 . Ne pas confondre avec l'acier 3G utilisé par Fällkniven: VG2/SGPS/VG2.

  • En conclusion tous les aciers frittés présentent des qualités exceptionnelles pour fabriquer des lames de couteaux. Seul inconvénients, leurs prix souvent exorbitants.