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9 janvier 2023

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La métallurgie des poudres a longtemps été utilisée pour produire des pièces poreuses, telles que des roulements à base de bronze et de fer autolubrifiants, 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 haute résistance 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 à Joensuu, en Finlande, ont utilisé le moulage par injection de métal pour produire des pièces poreuses à partir d'acier inoxydable 17-4 PH. Les pièces poreuses 17-4 PH sont imprégnées de cire de paraffine pour fournir 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 en acier inoxydable poreux et autolubrifiants à faible COF peuvent être produits par MIM.

Les auteurs ont rapporté que la poudre d'acier inoxydable martensitique polyMIM 17-4 PH durci par précipitation était mélangée avec 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 de 10, 20 à 30 % en poids. 1 % en poids de cire de paraffine a également été ajouté au mélange pour augmenter la fluidité de la charge d'alimentation 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 broche cylindrique sans NaCl sont résumés dans le tableau 1. Comme on peut le voir dans le tableau, les spécimens avec 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 charge. Les paramètres choisis ont assuré le remplissage complet de la cavité du moule et, par conséquent, une qualité d'échantillon uniforme entre les différentes porosités, qui a été 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 matériau liant dans la charge d'alimentation en poudre d'origine. 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 effectuée jusqu'à 1350°C dans une atmosphère d'hydrogène. La figure 1 montre des images SEM en coupe de la structure interne des pores des échantillons d'acier inoxydable 17-4 PH frittés poreux. La quantité de matériau de support d'espace (NaCl) avec 10 % en poids (a) a entraîné 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 en acier inoxydable 17-4 PH frittées poreuses 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 s'assurer que la lubrification ne résultait que de la paraffine stockée dans la porosité ouverte des échantillons.

Les COF dynamiques d'éprouvettes en acier inoxydable 17-4 PH poreux et non poreux ont été mesurés dans des conditions de glissement à sec et de lubrification 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 réalisé 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 17-4 PH frittés sous une charge normale de 10 N. Les valeurs de COF les plus basses ont été enregistrées pour les échantillons avec 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 du frottement de glissement réduit. Les auteurs ont également noté que, bien que la quantité de paraffine imprégnée dans les échantillons poreux à 10 % en poids soit 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 % 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 17-4 PH imprégnés de paraffine se sont avérées similaires aux résultats avec une charge de 10 N.

La conclusion de cette recherche a montré qu'une porosité de 20% en poids était la meilleure pour une intégrité structurelle équilibrée de l'acier inoxydable poreux fritté 17-4 PH, avec sa capacité à stocker la lubrification dans sa structure poreuse et ses performances de lubrification. Les auteurs s'attendent à ce que cette recherche ouvre des opportunités pour le développement de nouveaux types d'aciers inoxydables autolubrifiants produits par moulage par injection de métal pour des applications à forte usure.

www.sciencedirect.com/journal/tribology-international

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