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May 27, 2023

9 janvier 2023

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La métallurgie des poudres est utilisée depuis longtemps pour produire des pièces poreuses, telles que des roulements autolubrifiants à base de bronze et de fer, par compactage et frittage de poudre, où la porosité peut être remplie d'une huile lubrifiante pour donner aux roulements poreux un faible coefficient de frottement ( COF) et une résistance élevée à l’usure dans une large gamme d’applications. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Finlande orientale et de l'Université des sciences appliquées de Carélie, toutes deux situées à Joensuu, en Finlande, ont utilisé le moulage par injection de métal pour produire des pièces poreuses en acier inoxydable 17-4 PH. Les pièces poreuses en PH 17-4 sont imprégnées de cire de paraffine pour offrir les propriétés autolubrifiantes requises. Les chercheurs – M Kultamaa, K Monkkonen, JJ Saarinen et M Suvanto – ont récemment présenté les résultats de leurs travaux dans un article publié dans Tribology International, Vol. 174, 2022, qui indique que de nouveaux types de composants poreux et autolubrifiants en acier inoxydable à faible COF peuvent être produits par MIM.

Les auteurs ont rapporté que la poudre d'acier inoxydable polyMIM 17-4 PH martensitique durcie par précipitation était mélangée à du chlorure de sodium (NaCl), avec une distribution granulométrique de 200 à 315 µm, comme matériau de maintien de l'espace. La quantité de NaCl variait entre 10, 20 et 30 % en poids. 1 % en poids de cire de paraffine a également été ajouté au mélange pour augmenter la fluidité de la matière première polyMIM 17-4 PH contenant de fortes quantités ajoutées de NaCl pendant le moulage par injection. Les paramètres de moulage par injection pour les éprouvettes rectangulaires contenant du NaCl et un spécimen de tige cylindrique sans NaCl sont résumés dans le tableau 1. Comme on peut le voir dans le tableau, les spécimens contenant 30 % en poids de NaCl nécessitaient une température de moulage plus élevée (210 °C). ainsi qu'un temps de moulage plus long et une pression plus élevée pour compenser la viscosité plus élevée et la plus faible fluidité du mélange de matières premières. Les paramètres choisis garantissaient le remplissage complet de la cavité du moule et, par conséquent, une qualité d'échantillon uniforme entre les différentes porosités, contrôlée par la quantité de NaCl dans les mélanges de matières premières.

Le déliantage des pièces moulées a d'abord été effectué dans un bain d'eau distillée à 60 ° C pendant 20 h pour éliminer le matériau de support d'espace NaCl et la partie soluble dans l'eau du liant dans la matière première en poudre. Les parties brunes ont ensuite été séchées à 100°C pendant 2 h. Les porosités basées sur la perte de masse (%) des pièces moulées en acier inoxydable 17-4 PH avant et après déliantage sont données dans le tableau 2.

Tout liant résiduel a été éliminé des pièces lors de l’étape de frittage, qui a été réalisée jusqu’à 1 350 °C dans une atmosphère d’hydrogène. La figure 1 montre des images SEM en coupe transversale de la structure des pores internes des échantillons poreux frittés d'acier inoxydable 17-4 PH. La quantité de matériau de maintien d'espace (NaCl) avec 10 % en poids (a) a donné lieu à une porosité de 23,2 %, avec 20 % en poids (b), une porosité de 38,4 % ; et, à 30 % en poids (c), une porosité de 48,2 % a été observée. Les porosités des pièces poreuses MIM frittées ont été calculées à partir des densités et la densité moyenne des échantillons non poreux, à 0 % en poids, a été considérée comme un point de référence. La densité de la paraffine utilisée était de 0,90 g/cm3.

Les pièces poreuses en acier inoxydable 17-4 PH frittées résultantes ont ensuite été chauffées à 100°C et immergées dans de la cire de paraffine fondue pendant 15 minutes pour permettre l'imprégnation de la porosité ouverte. L'excès de cire de paraffine sur la surface des échantillons poreux imprégnés de 17-4 PH a été nettoyé à l'aide de N-heptane pour garantir que la lubrification provenait uniquement de la paraffine stockée dans la porosité ouverte des échantillons.

Les COF dynamiques d'échantillons poreux et non poreux en acier inoxydable 17-4 PH ont été mesurés dans des conditions de glissement à sec et lubrifiées à la paraffine. Des broches cylindriques non poreuses 17-4 PH avec une pointe sphérique ont été utilisées comme partenaires de friction statique. Chaque test a été effectué au moins trois fois et sur des éprouvettes différentes pour garantir la répétabilité et la cohérence des résultats. Des charges normales de 10 et 30 N ont été utilisées avec une distance de glissement de 100 m.

Les auteurs ont rapporté que la paraffine réduisait considérablement le coefficient de frottement de glissement pour tous les échantillons poreux frittés de 17-4 PH sous une charge normale de 10 N. Les valeurs de COF les plus basses ont été enregistrées pour les échantillons contenant 20 % en poids et 30 % en poids de NaCl. La paraffine imprégnée dans la porosité ouverte des échantillons poreux de 17-4 PH s'est avérée être la seule responsable de la réduction du frottement de glissement. Les auteurs ont également noté que, même si la quantité de paraffine imprégnée dans les échantillons poreux à 10 % en poids était faible par rapport aux échantillons à 20 % et 30 % en poids, elle était suffisante pour réduire considérablement le frottement (COF = 0,15). Les valeurs de COF pour les échantillons à 20 % en poids et 30 % en poids à une charge normale de 10 N étaient d'environ 0,07. Les valeurs de COF avec une charge normale de 30 N pour les échantillons poreux frittés de 17-4 PH imprégnés de paraffine se sont révélées similaires aux résultats avec une charge de 10 N.