Comment les poudres métalliques sont-elles fabriquées ?

Les poudres métalliques sont produites à l'aide de quatre catégories principales de procédés de fabrication : L'atomisation (physique), la réduction à l'état solide (chimique), l'électrolyse et la fragmentation mécanique. Parmi ces procédés, l'atomisation est la méthode la plus courante pour les applications modernes à hautes performances, où un flux de métal en fusion est désintégré en fines gouttelettes par des jets d'eau ou de gaz à haute pression. La réduction à l'état solide consiste à éliminer chimiquement l'oxygène des oxydes métalliques (généralement le fer) pour créer une poudre semblable à une éponge. L'électrolyse utilise un courant électrique pour déposer des poudres métalliques de haute pureté à partir d'une solution, souvent utilisée pour le cuivre. Enfin, la fragmentation mécanique fait appel à des techniques de broyage ou de meulage pour réduire en poudre des métaux ou des alliages fragiles. Le processus de fabrication spécifique choisi dicte la forme des particules de la poudre (sphérique ou irrégulière), sa pureté et sa densité, qui déterminent à leur tour son aptitude à des applications en aval telles que l'impression 3D (AM), le moulage par injection de métal (MIM) ou le pressage et le frittage.

Méthode d'atomisation

L'atomisation est actuellement la technologie la plus populaire, en particulier dans les industries qui sont extrêmement critiques quant à la performance des matériaux, telles que l'aérospatiale et la fabrication d'appareils médicaux. Il s'agit du processus physique ; la logique de base consiste à utiliser un fluide à haute énergie pour impacter le flux de métal en fusion.

Dans la pratique, nous subdivisons généralement le "support d'impact" en deux catégories en fonction de la différence, et les scénarios d'application de ces deux catégories sont très différents :

• Atomisation par gaz : Ce procédé consiste à bombarder le flux de métal avec un gaz inerte (tel que l'azote ou l'argon). Le produit fini est très beau - très sphérique avec une surface lisse. D'après mon expérience, c'est précisément parce que les particules sont rondes, que leur densité élevée et leur excellent écoulement font des poudres aérosolisées la norme industrielle pour la fabrication additive (impression 3D) et le moulage par injection de métal (MIM). Si vous voulez imprimer une pièce de précision, vous n'avez pas d'autre choix que de l'utiliser.
• Atomisation à l'eau : il s'agit de l'utilisation d'un jet d'eau à haute pression pour traiter le métal en fusion. La vitesse de refroidissement de l'eau étant trop rapide, les particules de métal se solidifient avant de pouvoir être arrondies, de sorte que la forme est très irrégulière et la surface rugueuse. Bien que la fluidité ne soit pas aussi bonne que celle de la poudre aérosolisée, cet "inconvénient" est à mon avis son avantage : au cours du processus de pressage, la forme irrégulière peut provoquer une occlusion mécanique entre les particules. Par conséquent, dans les applications de pressage et de frittage, si vous accordez de l'importance à la "résistance à l'état vert" de la pièce (c'est-à-dire la résistance avant le frittage), la poudre atomisée à l'eau est le premier choix.

Méthode de réduction à l'état solide

La réduction à l'état solide est la méthode chimique. Lorsqu'il s'agit de cette méthode, tout le monde pense essentiellement à la production de poudre de fer. Contrairement à la méthode de fusion du métal par atomisation, cette méthode joue avec les solides.

L'ensemble du processus se déroule généralement comme suit :

• Préparation des matières premières : Le minerai est broyé et mélangé à un agent réducteur (généralement du coke ou du charbon de bois comme source de carbone).
• Réaction : Le mélange est chauffé dans un four, et la température est contrôlée en dessous du point de fusion du fer. À ce moment-là, l'agent réducteur commence à agir, l'oxygène contenu dans l'oxyde de fer "s'accroche".
• Résultat : il reste une structure poreuse de fer métallique, semblable à une éponge. Après broyage et criblage de ces "éponges de fer", on obtient le produit fini.

D'un point de vue technique, cette structure poreuse présente un énorme avantage : elle peut absorber l'huile. Cette poudre est donc particulièrement adaptée à la fabrication de roulements autolubrifiants ou de roulements nécessitant une grande compressibilité des pièces structurelles.

Électrolyse

Lorsque le projet à réaliser présente des exigences strictes en matière de conductivité ou de pureté chimique, l'électrolyse est la seule solution possible. Cette méthode est le plus souvent utilisée pour produire de la poudre de cuivre.

Son principe est similaire à celui de la galvanoplastie, tout simplement :

• Réglage : Jeter la plaque métallique (anode) dans la cellule électrolytique contenant la solution de sulfate de métal.
• Dépôt : Après la mise sous tension, le métal de l'anode se dissout, traverse l'électrolyte et se dépose sur la cathode.
• Poudre : après un certain temps de dépôt, le métal est raclé, nettoyé, séché et broyé.

La poudre électrolytique est très caractéristique au microscope, elle est dendritique (semblable à de la fougère) et extrêmement pure. C'est pourquoi elle est presque irremplaçable dans les applications électroniques telles que les encres conductrices et les balais de moteur.

Méthode de broyage mécanique

La méthode de broyage mécanique est une méthode "hétérogène", c'est-à-dire qu'elle utilise uniquement la force mécanique pour briser un métal solide. Cette méthode est généralement réservée aux métaux fragiles (tels que le béryllium, l'antimoine, le bismuth) ou aux alliages fragiles. La raison en est simple : si vous écrasez un métal malléable, il ne fera que s'aplatir, il ne se cassera pas.

Les moyens les plus courants sont les suivants :

• Broyage à billes : Lancer un bloc de métal dans un tambour rotatif et écraser le matériau avec des billes dures en céramique ou en acier à l'intérieur.
• Meulage : Utilisez des meules robustes pour le meulage.

Pour être honnête, cette méthode présente un inconvénient : il est facile d'introduire des impuretés (après tout, les boulets de broyage s'usent). Cependant, la technologie actuelle progresse également, comme le broyage de billes à haute énergie (alliage mécanique), qui peut souder et interrompre différents matériaux au niveau atomique pour produire des poudres composites intéressantes.

Comment le processus de fabrication détermine-t-il l'application finale ?

Comprendre "comment la poudre métallique est fabriquée" n'est pas une approbation, mais parce que la méthode de production détermine directement les propriétés physiques de la poudre, en particulier la forme, la pureté et la densité des particules.

Poudre sphérique (aérosolisée) : Staring pour l'impression 3D et le MIM. La bille permet à la poudre de s'étaler à plat et de s'écouler en douceur.

Poudre irrégulière/spongieuse (atomisation de l'eau/réduction à l'état solide) : pressée pour le frittage. La surface rugueuse permet aux particules de se "mordre" les unes les autres, et les pièces pressées ne se désagrègent pas facilement.

Poudre dendritique/de haute pureté (électrolyse) : pour les applications électrochimiques haut de gamme, la pureté et la conductivité ne sont pas négociables.

En dernière analyse, qu'il s'agisse de la violence physique de l'atomisation et du broyage, de la réaction chimique de la méthode de réduction ou du dépôt électrochimique de la méthode d'électrolyse, l'essentiel est de verrouiller la performance tout au long du processus pour s'assurer que les pièces métalliques finales ne tombent pas de la chaîne.

Auteur ： Alex Miller

Avec plus de 17 ans d'expérience dans l'ingénierie des matériaux, je suis spécialisé dans la métallurgie des poudres. Je partage mes connaissances professionnelles sur la façon dont les processus d'atomisation et de réduction façonnent les poudres métalliques utilisées dans la fabrication additive moderne et les applications industrielles.