Le frittage est le processus qui consiste à fusionner des particules en une masse solide en utilisant une combinaison de pression et de chaleur sans faire fondre les matériaux. Les particules courantes qui sont frittées ensemble comprennent le métal, la céramique, le plastique et d’autres matériaux divers.
Qu’est-ce que le processus de frittage ?
Le frittage (sintering) est un processus de traitement thermique au cours duquel un matériau en vrac est soumis à une température et une pression élevées afin de le compacter en une pièce solide. C’est un peu comme lorsque des glaçons adhèrent ensemble dans un verre d’eau en raison de la différence de température entre la glace et l’eau, ou lorsque vous poussez de la neige ensemble pour former une boule de neige compacte.
La chaleur et la pression nécessaires au processus de frittage sont inférieures au point de fusion du matériau.
De même qu’un matériau a un point de fusion, il a aussi un point de frittage souhaitable, auquel la chaleur et la pression sont suffisantes pour réduire les espaces poreux entre les particules du matériau et comprimer le matériau en un bloc solide.
Cette utilisation de la pression et de la chaleur se produit naturellement dans les dépôts minéraux de la Terre ainsi que dans les formations glaciaires.
Le frittage est utilisé pour augmenter les propriétés des matériaux, notamment la conductivité thermique et électrique, la résistance et l’intégrité des matériaux, et la translucidité.
Les différents types de frittage
Il existe plusieurs types de frittage, selon le matériau à assembler ou le procédé de frittage spécifique.
Frittage de céramique
Le frittage est utilisé dans la fabrication d’objets en céramique, y compris la poterie. Comme certaines matières premières céramiques ont un indice de plasticité et une affinité pour l’eau inférieurs à ceux de l’argile, elles nécessitent l’ajout d’additifs organiques avant le frittage. Le processus est associé à un rétrécissement du matériau car les phases vitreuses s’écoulent une fois la température de transition atteinte et la structure pulvérulente du matériau se consolide, réduisant ainsi la porosité du matériau. Le processus est piloté par l’utilisation de températures élevées, bien que celles-ci puissent être couplées à d’autres forces telles que la pression ou les courants électriques. La pression est le facteur additionnel le plus courant, bien qu’un « frittage sans pression » soit possible avec des composites métal-céramique à gradient, avec un auxiliaire de frittage à nanoparticules et une technologie de moulage en vrac. La compression isostatique à chaud est une variante du frittage utilisée pour créer des formes en 3D.
Frittage de poudres métalliques
La plupart des métaux peuvent être frittés, en particulier les métaux purs, dans un vide où la contamination de surface est impossible. Lors du frittage d’une poudre métallique, telle que la poudre de fer, sous pression atmosphérique, un gaz protecteur doit être utilisé. Le frittage peut entraîner une réduction du volume global du matériau, car la densité augmente et le matériau remplit les vides avant les étapes finales : les atomes de métal se déplacent le long des frontières cristallines et lissent les parois des pores en raison de la tension superficielle. On parle de frittage à l’état liquide lorsqu’au moins un des matériaux (mais pas tous) est à l’état liquide. Toujours considérée comme de la métallurgie des poudres, cette technique est utilisée pour fabriquer du carbure de tungstène et du carbure cémenté. La poudre métallique frittée est utilisée pour toute une série d’applications allant de la fabrication de roulements et de bijoux aux tuyaux de chauffage et même aux cartouches de fusil. Le frittage est également l’une des rares options viables pour la fabrication avec des matériaux ayant un point de fusion élevé, comme le carbone, le tanatalum et le tungstène.
Frittage de plastique
Les articles en plastique qui nécessitent une porosité spécifique du matériau sont formés par frittage, notamment pour des applications telles que les unités de filtration et le contrôle des flux de fluides et de gaz. Parmi les autres applications des plastiques frittés, citons les filtres d’inhalateurs, le revêtement des matériaux d’emballage et les pointes des marqueurs pour tableaux blancs. Les plastiques frittés sont également utilisés comme matériaux de base dans les skis et les snowboards.
Frittage en phase liquide
Ce procédé est utilisé pour les matériaux difficiles à fritter. Le frittage en phase liquide implique l’ajout d’un additif à la poudre à fritter. Cet additif fond et le liquide est aspiré dans les pores, ce qui entraîne la réorganisation des grains selon une disposition plus favorable. Lorsque les pressions capillaires sont élevées et que les particules sont proches les unes des autres, les atomes se mettent en solution et précipitent dans des zones à plus faible potentiel chimique dans ce qu’on appelle « l’aplatissement par contact ». Ce phénomène est similaire à la diffusion aux limites des grains dans le frittage à l’état solide. Pour être efficace, l’additif doit fondre avant le frittage.
Frittage en phase liquide permanente
Ce procédé est similaire au frittage en phase liquide ordinaire, sauf qu’il favorise la capillarité pour attirer le liquide dans les pores ouverts, ce qui entraîne un déplacement des grains et un meilleur tassement.
Frittage en phase liquide transitoire
Ce procédé de formation de matériaux en vrac est utilisé pour les céramiques, les métaux et les matériaux à matrice métallique-céramique. Ces matériaux doivent être mutuellement solubles avec le liquide qui mouille le solide et crée un taux de diffusion élevé.
Frittage assisté par courant électrique
Frittage assisté par courant électrique
Breveté pour la première fois en 1906 par A.G. Bloxam, ce procédé utilise des courants électriques pour provoquer ou améliorer le frittage. Le procédé a été perfectionné au cours des années suivantes, notamment en combinant les courants électriques et la pression, ce qui s’est avéré bénéfique pour le frittage des métaux réfractaires et des poudres de nitrure et de carbure conductrices. Plus de 640 brevets liés au frittage par courant électrique ont été déposés depuis 1906, y compris le frittage par résistance (alias pressage à chaud).
Frittage par plasma d’étincelles
Ce type de frittage utilise la pression et un champ électrique pour améliorer la densité des comprimés de poudre céramique et métallique. En utilisant le champ électrique et le pressage à chaud pour améliorer la densification, ce procédé permet d’abaisser les températures de frittage et de réduire la durée du processus. Cependant, le nom est légèrement trompeur car des recherches ont montré qu’aucun plasma n’est utilisé et que d’autres noms tels que Field Assisted Sintering Technique (FAST), Electric Field Assisted Sintering (EFAS) et Direct Current Sintering (DCS) ont été utilisés.
Forgeage par électrofrittage
Cette technologie de frittage assistée par courant électrique est utilisée pour produire des composites à matrice métallique diamantée et est dérivée du frittage par décharge de condensateur. Le procédé est étudié pour être utilisé avec une gamme de métaux et se caractérise par un faible temps de frittage.
Frittage sans pression
Comme mentionné ci-dessus, cette technique implique un frittage sans pression, ce qui évite les variations de densité dans le produit final. Les compacts de poudre céramique peuvent être créés par pressage isostatique à froid, moulage par injection ou coulage en barbotine, après quoi ils sont pré-frittés et usinés pour obtenir une forme finale avant d’être chauffés. Il existe trois techniques de chauffage différentes pour le frittage sans pression : le chauffage à vitesse constante (CRH), le frittage à vitesse contrôlée (RCS) et le frittage en deux étapes (TSS). La microstructure et la taille des grains de la céramique varient en fonction du matériau et de la technique utilisés.
Frittage par micro-ondes
Ce procédé peut être utilisé pour générer de la chaleur à l’intérieur du matériau plutôt qu’à travers la surface à partir d’une source de chaleur externe. Il est adapté aux petites charges où il peut offrir un chauffage plus rapide, une dépense énergétique moindre et une amélioration des propriétés du produit. Cependant, étant donné que le frittage par micro-ondes ne fritte généralement qu’un seul compact à la fois, la productivité globale peut être faible si plusieurs sont nécessaires. En outre, comme les micro-ondes ne pénètrent que sur une courte distance pour les matériaux à haute conductivité et à haute perméabilité, les poudres doivent avoir une taille de particule similaire aux profondeurs de pénétration des micro-ondes dans ce matériau particulier. En outre, certains matériaux ne parviennent pas à se coupler et d’autres peuvent présenter un comportement d’emballement. Le processus et les réactions secondaires étant plusieurs fois plus rapides avec le frittage par micro-ondes, les propriétés du produit final fritté peuvent être différentes. Malgré ces inconvénients, cette technique est assez efficace pour maintenir la finesse des grains dans les biocéramiques.
Avantages du frittage
Bien que les différentes méthodes et les différents matériaux offrent une série d’avantages, il existe un certain nombre d’avantages généraux associés au frittage :
- La pureté : Le frittage offre des niveaux élevés de pureté et d’uniformité dans les matériaux de départ, qui peuvent être maintenus grâce à la simplicité du processus de fabrication.
- Répétabilité : Le contrôle de la taille des grains pendant l’introduction permet des opérations hautement répétables.
- Pas de contact avec les liants / Inclusions : Contrairement à certains procédés de fusion, le frittage n’entraîne pas de contact contraignant entre les particules de poudre ou les inclusions (aussi appelé « stringering »).
- Porosité uniforme : Créez des matériaux avec une porosité uniforme et contrôlée
- Objets de forme presque nette : Le frittage permet de créer des objets de forme presque nette
- Matériaux à haute résistance : Le frittage permet de créer des articles très résistants, comme des aubes de turbine.
- Haute résistance mécanique à la manipulation : Le processus de frittage améliore la résistance mécanique pour la manipulation.
- Travailler avec des matériaux difficiles : Le frittage vous permet de travailler avec des matériaux qui ne peuvent être utilisés avec d’autres technologies, comme les métaux à point de fusion très élevé.
FAQs
Où est-il utilisé ?
Parce que le frittage peut améliorer les propriétés des matériaux telles que la conductivité électrique et thermique, la résistance et la translucidité, il est utilisé dans toute une série d’industries et d’applications. Le processus de création de pièces métalliques par pressage de poudres remonte à plusieurs siècles et a été utilisé pour fabriquer des articles à partir de presque tous les types de céramique ou de métal.
Les utilisations modernes comprennent la création de pièces en acier de construction, de métaux poreux pour la filtration, de câblages en tungstène, de roulements autolubrifiants, de matériaux magnétiques, de contacts électriques, de produits dentaires, de produits médicaux, d’outils de coupe, etc.
Quelle est la signification du mot « fritté » ?
Le mot « frittage » est venu de l’allemand à la fin du 18e siècle et a été comparé au mot anglais « cinder ». Le frittage est un processus de traitement thermique qui consiste à soumettre un matériau agrégé à une température et à une pression afin de compacter le matériau meuble en un objet solide.
Pourquoi le frittage est-il effectué et pourquoi est-il important ?
Le frittage permet de conférer de la résistance et de l’intégrité à un matériau, de réduire sa porosité et d’améliorer sa conductivité électrique, sa translucidité et sa conductivité thermique. Cela est important pour conférer aux produits les propriétés souhaitées et permet également de créer des articles à partir de métaux à point de fusion élevé (puisque les matériaux n’ont pas besoin de fondre lors du frittage).
Combien de temps cela prend-il ?
Selon les matériaux et les techniques, le frittage peut prendre de quelques millisecondes à plus de 24 heures. Les différences entre les matériaux qui influent sur la durée du processus sont notamment la mobilité des atomes, les coefficients d’auto-diffusion, la température de fusion et le niveau de conductivité thermique. En outre, les techniques assistées par champ peuvent réduire les temps de frittage, tandis que le frittage sélectif par laser (en gros, l’impression 3D pour les métaux) est plus lent et que le procédé traditionnel au four l’est encore plus. L’ajout d’une phase liquide accélère également les temps de frittage. Cependant, des temps de frittage plus rapides peuvent entraîner une réduction de la densité et de la porosité résiduelle.