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Définitions
Il est difficile de donner une définition du frittage faisant l’unanimité. Nous vous proposons donc deux définitions du frittage suivies d’un résumé:
G. Cizeron * de l’Institut de céramique française donne une définition du frittage: ( a G. Cizeron, “Le frittage sous son aspect physico-chimique” paru dans : Extrait de l’industrie céramique -1968-1971-1972-1973.)
«Le frittage est un processus faisant évoluer par traitement thermique, un système constitué de particules individuelles (ou un aggloméré poreux), en l’absence de pression externe exercée ou sous l’effet d’une telle pression, de sorte qu’au moins certaines des propriétés du système (sinon toutes) soient modifiées dans le sens d’une réduction de l’énergie libre globale du système. Parallèlement, cette évolution entraîne une diminution importante (sinon complète) de la porosité initiale. Enfin, le processus suppose qu’au moins une phase solide existe constamment pendant tout le traitement thermique, de façon à conserver une certaine stabilité de forme et de dimension au système considéré.»
Une autre définition a été proposé lors d’une série de conférences prononcées en 1968 à l’Institut de Céramique Française et à l’École Nationale Supérieure de Céramique Industrielle de Sèvres
« Le frittage est la consolidation par action de la chaleur d’un agglomérat granulaire plus ou moins compact, avec ou sans fusion d’un ou de plusieurs de ses constituants ».
Ces définitions peuvent généralement se résumer ainsi : le frittage est la consolidation obtenue par l’apport d’énergie à un matériau, sans fusion d’au moins l’un des constituants, dans le but de minimiser l’énergie du système. (L’apport d’énergie peut être par exemple thermique, mécanique . . .)
A la lecture des différentes définitions, on remarque que deux types de frittage existent:
- le « frittage en phase solide » si tous les constituants restent en phase solide,
- le « frittage en phase liquide » si au moins l’un des constituants est en phase liquide et l’un au moins reste en phase solide.
Vulgarisation
Le frittage est un procédé de fabrication de pièces consistant à chauffer une poudre sans la mener jusqu'à la fusion. Sous l'effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui forme la cohésion de la pièce. Le cas le plus connu est celui de la cuisson des poteries. De nos jours, le frittage est utilisé pour obtenir la densification de matériaux céramiques :
- il permet de maîtriser la densité de la matière ; comme on part d'une poudre et que celle-ci ne fond pas, on peut maîtriser la taille des grains de poudre (granulométrie) et la densité du matériau, selon le degré de (compactage) initial des poudres et/ou l'utilisation de dopants, et/ou l'adjonction de liants ...
- il permet d'obtenir des matériaux durs mais fragiles, à porosité contrôlée, inerte chimiquement (faible réactivité chimique et bonne tenue aux corrosions) et inerte thermiquement ;
- il permet de maîtriser les dimensions des pièces produites : comme il n'y a pas de changement d'état, les variations de volume, de dimensions, sont peu importantes par rapport à la fusion (phénomène de retrait).
Frittage des céramiques
Voire l'article sur les céramiques.
Métallurgie des poudres
Le frittage est un procédé qui permet de réaliser des pièces mécaniques ou d'autres objets à partir de poudres plus ou moins fines. Dans un premier temps, ces poudres sont agglomérées par divers procédés pour constituer une préforme, laquelle est ensuite chauffée pour acquérir une certaine cohésion.
Le frittage peut être réalisé avec ou sans liant, sur des matériaux très divers.
Frittage sans liant
Il concerne essentiellement les poudres métalliques. Celles-ci sont fortement comprimées et mises en forme dans une matrice, sous l'action d'un ou de plusieurs poinçons. Les pressions atteignent communément plusieurs milliers de bars. Après démoulage, on obtient des préformes plus ou moins fragiles qui sont ensuite chauffées sous vide ou dans une atmosphère contrôlée, à une température inférieurs à la température de fusion de l'élément principal. C'est la phase de frittage proprement dite. Sous l'effet de la chaleur, les matériaux diffusent les uns dans les autres et les grains de poudre se lient de façon relativement solide, suffisamment en tous cas pour que l'on puisse obtenir des composants mécaniques utilisables.
Après le frittage, les dimensions des pièces se trouvent notablement réduites. Les cotes des préformes, et donc des matrices, doivent donc tenir compte de cette contraction. En principe, les pièces frittées sont utilisées telles quelles car elles sont relativement précises. Pour augmenter leur précision, on peut faire suivre le frittage d'un calibrage à froid, suivi dans de rares cas d'un second frittage pour améliorer les qualités mécaniques.
Le frittage sans liant laisse des pièces poreuses, les vides pouvant atteindre 10 à 30 % du volume total. Leur répartition n'est pas uniforme, à cause entre autres de l'« effet silo » (quand on remplit progressivement de produits en grains ou en poudre un silo cylindrique, la pression qui s'exerce sur le fond croît de moins en moins vite et se stabilise à une valeur limite lorsque la colonne stockée atteint une certaine hauteur, à cause des frottements sur les parois).
Cette porosité peut être considérée comme un inconvénient, en particulier parce que les gaz emprisonnés peuvent faciliter la corrosion interne. En revanche, on peut la mettre à profit pour imprégner les pièces frittées de produits fr:Tribologie - Lubrifiantss et fabriquer ainsi des coussinets autolubrifiants ou des plaques de guidage. Voir : fr:Tribologie - Matériaux utilisables pour le frottement. En frittant non plus des poudres fines, mais des petites billes calibrées, on fabrique des filtres ou des silencieux pour l'échappement de l'air des vérins pneumatiques.
L'outillage requis pour une fabrication par frittage est très onéreux, on ne peut l'amortir que par la production de pièces en très grandes séries et utilisées autant que faire se peut à l'état brut. La précision dimensionnelle est approximativement la même que pour les pièces usinées (dans le sens perpendiculaire à celui de la compression, la précision est souvent meilleure).
On peut obtenir par frittage des alliages ou pseudo-alliages impossibles à fabriquer autrement. Par exemple, il n'existe aucun alliage fer-zinc pour la bonne raison que la température d'ébullition du zinc est de très loin inférieure à la température de fusion du fer.
Les formes que l'on peut obtenir sont étroitement liées à la manière dont les poudres peuvent remplir les vides du moule (la matrice) et aux possibilités de démoulage. Les parties directement éjectées par les poinçons ne nécessitent aucune dépouille, sur les autres parties on utilise généralement une dépouille de 7°.
Frittage avec liant
Dans de nombreux cas, en particulier pour des matériaux minéraux comme l'argile, certaines céramiques, certains oxydes, la compression ne donne pas d'ébauches suffisamment solides pour qu'on puisse les manipuler sans précaution. Il se peut aussi que l'on souhaite obtenir des formes incompatibles avec les procédés de compression usuels.
Dans le cas des argiles et d'un certain nombre de céramiques, les poudres sont additionnées d'eau de façon à former une pâte ou une barbotine. Les pâtes peuvent être mises en forme à la main (poterie), pressées dans des moules (tuiles, pots à fleurs), extrudées (briques creuses, etc. Les barbotines sont coulées dans des moules absorbants en plâtre. On remplit une empreinte et on la vide rapidement. Au contact du plâtre sec, la barbotine perd une partie de son eau et ne peut plus s'écouler. En vidant l'empreinte, il ne reste qu'une « peau » pâteuse qu'on laisse durcir par séchage. Ce procédé permet de réaliser des pièces de porcelaine (théières, cafetières), des éléments de sanitaires (lavabos, cuvettes de WC), ... Le séchage laisse des objets manipulables mais peu solides. Le frittage de ces produits survient lors de la cuisson.
On utilise parfois des moules souples en silicones pour obtenir des formes complexes que l'on ne pourrait pas démouler si le moule était rigide.
Les mélanges d'oxydes qui servent à fabriquer les éléments de ferrite utilisés dans les circuits électriques comme noyaux des bobines d'induction sont frittés sous très forte pression, comme les pièces métalliques, mais avec un liant. On utilise à cet effet divers polymères qui sont consumés ou évaporés pendant la cuisson.
Les carbures de tungstène que l'on trouve dans les plaquettes destinées à la coupe des métaux sont frittés avec un liant métallique qui augmente la solidité et diminue les porosités. En l'occurrence, il s'agit ici de cobalt.
Frittage pour le prototypage rapide
Certaines pièces qui ne seraient même pas envisageables techniquement par usinage pour des raisons de formes, de matériaux ou de délais de fabrication, sont tout de même réalisables par frittage.
Le prototypage rapide permet de réaliser des pièces d'essai par frittage de couches successives de poudre métallique ou de polyamide sous l'effet d'un faisceau laser dont le déplacement est programmé de façon adéquate.
D'autres procédés utilisent des faisceaux de micro-ondes pour réaliser le frittage.
Exemples d'applications
Pour les applications dans le domaine du frottement et de l'usure, voir aussi l'article détaillé fr:Tribologie - Applications pratiques.
- pièces de frottement : bronze, fer, graphite,
- filtres : bronze, titane, acier inoxydable, nickel,
- aimants permanents : associations en proportions variables de fer + cobalt + nickel + titane + aluminium,
- contacts électriques : tungstène + cuivre ou argent,
- noyaux de ferrite : divers oxydes métalliques,
- grains et bagues d'étanchéité : graphite + argile, carbure de tungstène + cobalt, diverses céramiques,
- plaquettes de coupes : carbures métaliques (W, Ti, ...) avec cobalt, céramiques diverses,
- plaquettes de frein : bronze + graphite, fer + graphite,
- balais de moteurs électriques : graphite + argile + éventuellement éléments abrasifs pour éviter l'usure adhésive.
- réalisation de maquettes et de prototypes (utilisation de poudre polyamide chagée en billes de verre, en aluminium, en carbone, etc. ou non chargée).
Matériaux normalisés
Diverses nuances appropriées aux usages courants sont normalisées au niveau international :
ISO 5755/1 : matériaux métalliques pour coussinets imprégnés de lubrifiants,
ISO 5755/2 : fer et acier fritté contenant du carbone et/ou du cuivre,
ISO 5755/3 : aciers au nickel, nickel-chrome, nickel-cuivre-molybdène, aciers inoxydables.
D'autres normes françaises ou internationales concernent les aciers infiltrés, les bronzes et laitons frittés, etc.
Note
Ne pas confondre frittage et frettage.
Voir aussi
le frittage est une des meilleures méthodes pour obtenir des céramiques
"Frittage"