Qu’est ce qu’une aide au frittage ?
Les aides au frittage sont des additifs utilisés dans le frittage et le formage des poudres métalliques et céramiques pour favoriser et stabiliser le frittage. On utilise généralement des additifs dont le point de fusion est inférieur à celui du matériau à fritter.
Les aides au frittage sont ajoutés aux poudres dans la mesure où ils n’affectent pas négativement les propriétés du matériau, par exemple lorsqu’il s’agit de fritter des matériaux difficiles à fritter ou d’augmenter la densité et la résistance du matériau fritté. Le bore et le carbone sont utilisés comme aides au frittage. Des métaux alcalino-terreux et des oxydes de terres rares peuvent être ajoutés aux céramiques frittées, ce qui permet de les densifier et d’obtenir une conductivité thermique élevée.
Utilisations des aides au frittage
Les aides au frittage sont largement utilisées dans la fabrication des céramiques. La mise en forme des métaux à point de fusion élevé et des céramiques est impossible par découpage, collage ou fusion, c’est pourquoi ils sont fabriqués par frittage. Les matériaux à base de Si, tels que le carbure de silicium et le nitrure de silicium, sont difficiles à fritter. Dans ce cas, des aides au frittage sont ajoutées à la poudre. Les aides au frittage deviennent liquides à des températures plus basses que le matériau en poudre lorsqu’il est chauffé, ce qui facilite la densification.
Les céramiques fines étant encore plus difficiles à fritter, le carbure de silicium et d’autres matériaux sont encore plus finement divisés et du bore et du carbone sont ajoutés en tant qu’agents d’aide au frittage. Dans la fabrication des céramiques à base de nitrure de silicium, le nitrure de silicium-béryllium est parfois utilisé comme auxiliaire de frittage.
Des ensembles céramiques à usage domestique ont également été commercialisés. Ces produits sont fabriqués en mélangeant de l’argile céramique avec un adjuvant de frittage, en la moulant dans la forme souhaitée et en la frittant dans un four à micro-ondes.
Principe des aides au frittage
Le processus de frittage commence par le broyage des matières premières et le mélange des poudres. Si le matériau est particulièrement difficile à fritter, un agent d’aide au frittage est mélangé à ce stade. La poudre est ensuite placée dans un moule ou un dispositif similaire et pressée pour lui donner une forme prédéterminée. De la cire ou d’autres substances sont parfois ajoutées à la poudre pour faciliter la mise en forme. Si les particules de la poudre sont petites, une densité inégale peut se produire dans le moule, c’est pourquoi la poudre est parfois mélangée à un adjuvant de moulage et pulvérisée pour former une matière première granulée.
Ensuite, si des matières organiques ont été ajoutées pendant le moulage, le matériau est lentement chauffé à environ 400 °C pour éliminer les matières organiques. Le matériau est ensuite porté à haute température pour être fritté. À ce stade, les céramiques d’oxyde telles que l’alumine et la zircone sont souvent chauffées à l’air. Pour les métaux tels que les matériaux en acier et les céramiques non oxydées telles que le nitrure de silicium, le frittage est effectué dans un gaz inerte ou sous vide afin d’éviter l’oxydation.
Le corps fritté est un phénomène par lequel le chauffage d’une poudre compacte entraîne la liaison des particules de la matière première, ce qui réduit l’espace entre les particules et les solidifie. Dans les métaux et les céramiques solides, le frittage se produit par le mouvement des matériaux par un phénomène connu sous le nom de diffusion. Dans les matériaux difficiles à fritter, tels que le SiC et le Si3N4, la densification ne progresse pas beaucoup, même à des températures élevées, à moins qu’un agent d’aide au frittage ne soit ajouté. Les théories conventionnelles ne permettent pas d’expliquer ce phénomène, et les nouvelles théories de l’énergie libre ont montré que les énergies élevées des joints de grains peuvent constituer un obstacle thermodynamique au frittage. Le rôle des aides au frittage serait de réduire l’énergie intergranulaire et d’améliorer le frittage. Le frittage à basse température est également important pour les céramiques structurelles à haute température en raison du problème de la croissance des particules lors du frittage à haute température, qui entraîne une perte de résistance.