Alliage mécanique avec les broyeurs à billes
La production traditionnelle d'alliages implique généralement la fusion de composants à haute température pour créer des matériaux comme l'acier inoxydable. Cependant, lorsque seules de petites quantités sont nécessaires ou que la fusion n'est pas réalisable pour l'alliage, l'alliage mécanique offre une alternative viable. Ce processus utilise des broyeurs à billes pour souder et fusionner les particules de poudre par une combinaison d'impact et de déformation plastique.
À la fin des années 1960, cette méthode a été utilisée pour produire des alliages nickel-fer. Ils résistent aux températures élevées et conviennent aux applications aérospatiales. L'alliage mécanique est une technique de traitement des poudres qui permet d'obtenir l'homogénéité du matériau en soudant à froid, en fracturant et en soudant à nouveau les particules de poudre à plusieurs reprises.
Au départ, les particules plus grosses sont produites de cette façon. L'augmentation des structures de défauts telles que les dislocations, les lacunes et les tensions dans les réseaux cristallins des particules individuelles conduit à un taux de diffusion élevé de leurs atomes. Il en résulte une fragilisation accrue qui favorise la formation de fissures et une rupture ultérieure de la particule. La diffusion est soutenue par une élévation de température générée par la chaleur de friction dans le bol de broyage. Le processus de fusion et de pliage se poursuit jusqu'à ce que l'homogénéisation complète soit obtenue après quelques minutes ou plusieurs heures. De minuscules sections cristallines de composants initiaux adjacents se forment dans les particules de poudre, appelées ‘’nano-cristallites’’.
L'apport d'énergie nécessaire lors de l'alliage mécanique est fourni par les broyeurs à billes à haute énergie et les broyeurs planétaires à billes par le biais de collisions à impact. Les billes de broyage provoquent une déformation plastique des particules fines, ce qui conduit à la fusion des matériaux. Cette technique permet de produire des alliages lorsque les méthodes traditionnelles de fusion des métaux sont inefficaces. Il permet également d'ajuster les rapports de mélange des composants. Ils permettent également de pré-broyer les échantillons pour réduire la taille des particules.
Broyeurs adaptés à l'alliage mécanique
Broyeur à billes Haute Energie Emax
Le broyeur à billes à haute énergie Emax est conçu pour le broyage à haute énergie, avec une vitesse de 2 000 min-1 combinée à une conception unique de bol de broyage qui produit une réduction substantielle de l'énergie de la taille. Un énorme apport d'énergie allant jusqu'à 76 g est réalisable.
L'Emax fonctionne sur un double mécanisme d'impact élevé et de friction intense, ce qui permet d'obtenir un apport d'énergie élevé adapté au broyage rapide à l'échelle nanométrique et à l'alliage mécanique. Cet effet est obtenu grâce à la forme ovale et au mouvement des bols de broyage, qui suivent un chemin circulaire sans modifier leur orientation, améliorant le mélange des particules et obtenant des tailles de broyage plus fines et une distribution granulométrique plus uniforme.
L'Emax est équipé d'un système de refroidissement liquide spécialisé qui dissipe efficacement l'excès d'énergie thermique, garantissant ainsi que l'échantillon ne surchauffe pas, même pendant des périodes de broyage prolongées. Les bols de broyage sont refroidis à l'eau à l'intérieur, ce qui permet un broyage continu sans interruption dans la plupart des scénarios. Un refroidisseur externe peut être connecté au système de refroidissement interne de l'Emax pour une réduction supplémentaire de la température. De plus, le mode de contrôle de la température permet aux utilisateurs de régler les températures minimales et maximales, le broyage se poursuivant jusqu'à ce que la température maximale soit atteinte, suivi d'une pause de refroidissement jusqu'à ce que la température minimale soit atteinte. Cela garantit que les pauses de broyage sont chronométrées de manière optimale, éliminant ainsi le besoin d'essais et d'erreurs pour déterminer les durées correctes. Dans l'ensemble, l'Emax est idéal pour l'alliage mécanique.
Broyeurs planétaires à billes
Les broyeurs planétaires à billes ont été utilisés à de nombreuses reprises pour l'alliage mécanique. Dans un broyeur planétaire à billes, chaque bol fonctionne comme une « planète » qui orbite sur une plate-forme connue sous le nom de ‘’roue solaire’’. Lorsque la roue solaire tourne, le bol tourne également sur son propre axe, mais dans le sens inverse. Ce mouvement active les forces centrifuges et de Coriolis, ce qui entraîne une accélération rapide des billes de broyage. Le résultat est une énergie de pulvérisation importante qui produit des particules extrêmement fines.
L'accélération intense des billes de broyage d'un côté à l'autre du bol crée un impact puissant sur l'échantillon, entraînant une réduction supplémentaire de la taille par friction. En règle générale, le rapport de vitesse entre la roue solaire et le bol de broyage est de 1 :-2, ce qui signifie que le bol effectue deux rotations pour chaque rotation de la roue solaire. Ce rapport est standard pour la plupart des broyeurs planétaires à billes Pour les applications d'alliage mécanique, les broyeurs planétaires à billes avec un apport d'énergie plus élevé et un rapport de vitesse de 1 :-2,5 ou même 1 :-3 sont particulièrement efficaces.
Contrairement à l'Emax, ces broyeurs peuvent accueillir des bols de broyage plus grands jusqu'à 500 ml. Le broyeur planétaire à billes PM 300, avec sa grande roue solaire et une vitesse maximale de 800 tr/min, fournit un apport d'énergie très élevé, ce qui se traduit par des forces g allant jusqu'à 64,4 g. Avec deux stations de broyage, le broyeur peut utiliser simultanément jusqu'à quatre bols de broyage allant de 12 à 80 ml pour les essais. Des bols plus grands jusqu'à 500 ml sont également disponibles pour les processus de mise à l'échelle dans la même machine. Celui-ci, en particulier le PM 300, offre les meilleures caractéristiques pour les processus d'alliage mécanique.
Exemple de matériaux thermoélectriques par alliage mécanique
Le silicium et le germanium sont des matériaux semi-conducteurs fondamentaux qui ont révolutionné le développement de dispositifs électroniques, notamment les cellules photovoltaïques et les transistors. En faisant varier les proportions de Si et de Ge, les propriétés de ces alliages peuvent être modifiées, affectant la taille atomique, les différences de masse et les bandes interdites.
Les alliages thermoélectriques composés de Si et de Ge sont utilisés dans les missions spatiales au sein de thermogénérateurs radio-isotopiques pour alimenter les sondes et les instruments spatiaux. Pour les applications commerciales thermoélectriques, les matériaux à base de tellurure de bismuth (Bi2Te3) sont primordiaux en raison de leur efficacité de conversion supérieure. Les éléments Peltier en tellurure de bismuth sont utilisés dans les systèmes de refroidissement. Auparavant, les broyeurs planétaires à billes étaient utilisés pour l'alliage mécanique du Si et du Ge, mais ils rencontraient plusieurs problèmes. Le nouveau broyeur à billes à haute énergie Emax résout ces problèmes en empêchant l'agglomération des matériaux à grande vitesse, éliminant ainsi le besoin de longues pauses et réduisant le temps total de traitement. La technologie de l'Emax permet un traitement efficace et plus rapide.
3,63 g de Si et 2,36 g de Ge ont été combinés dans un bol de broyage en carbure de tungstène de 50 ml à l'aide de huit billes de broyage de 10 mm, avec un rapport échantillon/bille de 1:10. Initialement, Si et Ge avaient des tailles de particules de 1 à 25 mm et 4 mm, respectivement. Après un broyage de 20 minutes à 2 000 tr/min, les deux ont été combinés sans agglomération. L'alliage mécanique s'est déroulé pendant neuf heures à 1 200 tr/min, avec des intervalles de broyage d'une heure suivis de pauses d'une minute pour l'inversion de la rotation afin d'éviter l'agglutination. La diffraction des rayons X (XRD) a mesuré le matériau de départ, montrant les motifs de lignes distincts de Si et Ge, qui se sont estompés avec le temps. Tout au long du processus, les composants de l'alliage sont restés poudreux et la température Emax est restée inférieure à 30 °C. Après neuf heures, les poudres étaient encore cristallines avec peu ou pas de matière amorphe.
Résultats présentés par Uwe Pelz, Institut de chimie inorganique et analytique, Université Albert Ludwigs [1]
Influence sur le rapport poudre/bille sur les résultats obtenus par alliage mécanique
Pour l'alliage mécanique, l'approche du remplissage des billes s'écarte de la règle conventionnelle du tiers (1/3 de billes, 1/3 d'échantillon, 1/3 d'espace vide), en raison de la nécessité fréquente d'une accélération élevée et de la rareté occasionnelle du matériau de l'échantillon (educts). L'accent est mis sur l'utilisation d'un rapport de masse spécifique, ce qui nécessite la prise en compte de la quantité de réactif et une décision claire sur le rapport de masse à utiliser. De plus, la taille des billes doit être déterminée pour calculer la quantité requise de billes, en utilisant leur poids spécifique, qui varie en fonction de la taille et du matériau. Une fois le nombre de billes déterminé, la taille du bol de broyage requise devient évidente. Étant donné que la quantité d'échantillon dans les bols est généralement très faible, il y a un risque plus élevé d'endommager à la fois les billes et les bols, que si l'on respectait la règle traditionnelle du tiers.
Un rapport de masse (w/p) de 1:10 est couramment utilisé pour l'alliage mécanique, mais 1:5 ou 1:15 sont également possibles. Cela signifie que lorsque des éducts de 15 g sont utilisés, des billes de 150 g sont nécessaires. Comme un impact élevé est nécessaire, les billes >10 mm sont très courantes pour l'alliage mécanique. 150 g = 20 billes de carbure de tungstène de 10 mm de 7,75 g chacune. Pour des billes de 20 x 10 mm, un volume de bol minimum de 50 ml est nécessaire, même mieux 80 ml (voir les remplissages de bols recommandés sur les pages produits des broyeurs à billes planétaires).
| Bol de broyage volume nominal |
Quantité d'échantillon | Taille d'alimentation maximale | Ø 5 mm* | Ø 7 mm* | Ø 10 mm* | Ø 15 mm* | Ø 20 mm* | Ø 30 mm* |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 12 ml | jusqu’à ≤ 5 ml | < 1 mm | 50 | 15 | 5 | - | - | - |
| 25 ml | jusqu’à ≤ 10 ml | < 1 mm | 95 – 100 | 25 – 30 | 10 | - | - | - |
| 50 ml | 5 – 20 ml | < 3 mm | 200 | 50 – 70 | 20 | 7 | 3 – 4 | - |
| 80 ml | 10 – 35 ml | < 4 mm | 250 – 330 | 70 – 120 | 30 – 40 | 12 | 5 | - |
| 125 ml | 15 – 50 ml | < 4 mm | 500 | 110 – 180 | 50 – 60 | 18 | 7 | - |
| 250 ml | 25 – 120 ml | < 6 mm | 1100 – 1200 | 220 – 350 | 100 – 120 | 35 – 45 | 15 | 5 |
| 500 ml | 75 – 220 ml | < 10 mm | 2000 | 440 – 700 | 200 – 230 | 70 | 25 | 8 |
*Remplissages de billes recommandés (en unités)
Le tableau indique les charges recommandées (en quantités) de billes de broyage de différentes tailles en fonction du volume du bol de broyage, de la quantité d'échantillon et de la taille maximale de l'échantillon.
Si le rapport bille/poudre est trop élevé, les billes ne peuvent plus se déplacer efficacement, ce qui réduit l'efficacité du processus d'alliage. Pour déterminer l'efficacité de différents rapports poudre/billes de broyage, une expérience a été menée à l'aide d'un bol de broyage en acier de 50 ml et de dix billes de broyage en acier de 10 mm. Pour un rapport de 1:10, 2,09 g de bismuth et 1,91 g de tellure ont été utilisés, tandis qu'un rapport de 1:5 impliquait 4,18 g de Bi et 3,83 g de Te. Les matériaux ont été traités pendant 70 minutes à 800 tr/min, avec des cycles de 10 minutes de broyage suivis d'une pause d'une minute pour l'inversion programmée du sens de l'opération. L'analyse XRD a été effectuée après la première heure d'alliage mécanique. Il a révélé un décalage des réflexes de Bi et Te vers Bi2Te3, indiquant la formation de l'alliage. Le rapport 1:10 a montré une formation légèrement plus rapide de Bi2Te3. L'échantillon avec un rapport de 1:5 présentait une intensité plus élevée de réflexe tellure, ce qui suggère une plus grande quantité de tellure résiduel par rapport à l'échantillon de 1:10. Le processus d'alliage s'est poursuivi pendant trois heures supplémentaires à 1 200 tr/min sans agglutination. L'alliage mécanique précédent de Bi2Te3 dans un broyeur mélangeur prenait 6,5 heures à 1 200 tr/min. Cependant, en utilisant le broyeur à billes à haute énergie Emax, le processus a été achevé en seulement deux à trois heures.
Diffractogramme de poudre après une heure d'alliage mécanique Bi et Te dans l'Emax, rapport poudre/bille 1:10 (gauche), rapport poudre/bille 1:5 (droite).
Résultats présentés par Uwe Pelz, Institut de chimie inorganique et analytique, Université Albert Ludwigs [1]
Influence du matériau de l'outil de broyage et de la vitesse de la machine
L'influence des matériaux utilisés pour les bols et les billes de broyage est significative dans l'efficacité de l'alliage. Deux facteurs clés sont l'apport d'énergie, qui est en corrélation avec la densité du matériau, et la résistance à l'abrasion du matériau. La vitesse du broyeur affecte également l'apport d'énergie, qui augmente avec la densité du matériau et la vitesse du broyeur. Les matériaux à haute densité comme le carbure de tungstène entraînent une plus grande accélération des billes de broyage à une vitesse donnée, ce qui entraîne un impact énergétique plus élevé sur l'échantillon et une action de broyage plus efficace. Cependant, pour les matériaux ductiles, une énergie excessive peut entraver l'efficacité des processus d'alliage, provoquant la formation d'une couche qui adhère à l'échantillon et encapsule les billes de broyage, perturbant la formation de nanocristallites et compliquant la récupération de l'échantillon. La haute résistance à l'abrasion du carbure de tungstène est avantageuse pour minimiser l'usure.
Broyage en atmosphère contrôlée avec une conception avancée des cuves de broyage
Les bols de broyage EasyFit sont conçus pour des conditions exigeantes, y compris des essais à long terme à des vitesses allant jusqu'à 800 tr/min, des charges mécaniques élevées et un alliage mécanique. Ils sont compatibles avec tous les broyeurs à billes planétaires RETSCH. La série EasyFit introduit la fonction Advanced Anti-Twist (AAT) au fond des bols de 50 à 500 ml, assurant une fixation sûre et une usure réduite, même à grande vitesse. La gamme de bols de broyage se décline en trois catégories de diamètres : 12-25 ml, 50-125 ml et 250-500 ml, avec des couvercles interchangeables au sein de ces catégories. L'atmosphère peut également influencer le succès du processus d'alliage mécanique, plus précisément l'oxygène peut conduire à la formation d'oxydes métalliques, de sorte que le métal est moins disponible pour la formation des cristaux mixtes souhaités[2].
Les couvercles d'aération facilitent les opérations en atmosphère inerte, permettant l'introduction de gaz tels que l'argon ou l'azote. Ils peuvent être personnalisés avec différents inserts, ce qui les rend polyvalents pour divers matériaux de flacons. Les flacons Emax prennent également en charge ces fonctionnalités.
Système de mesure GrindControl Le GrindControl affiche en temps réel ce qui se passe à l'intérieur du broyeur.
Le GrindControl offre une visibilité en temps réel sur les processus à l'intérieur du bol de broyage. La pression et la température sont surveillées en permanence, garantissant un contrôle sûr et précis, même avec des matériaux sensibles ou réactifs. Réagissez rapidement aux pics de pression inattendus et surveillez de près en permanence les échantillons sensibles à la température et même les réactions mécanochimiques.
Le GrindControl en un coup d'oeil
- Données en temps réel sur la pression et la température
- Détection précoce des états critiques
- Contrôle précis des processus
- Protection des matériaux sensibles
- Résultats reproductibles
Synthèse de nouveaux matériaux pour batteries
La synthèse mécanochimique est devenue particulièrement populaire dans le domaine de la technologie des batteries, où elle est utilisée pour produire des électrolytes innovants, des séparateurs ou des composites polyphasés de haute pureté ou pour optimiser leur microstructure. Par exemple, de nouveaux électrolytes solides peuvent être synthétisés par un procédé sans solvant ou leur performance et leur stabilité peuvent être améliorées. Une autre application réside dans les réactions de recyclage respectueuses de l'environnement, comme la réduction mécanochimique des matériaux cathodiques pour les batteries lithium-ion. Tous les types de broyeurs à billes sont adaptés à la synthèse mécanique. Comme il s'agit en général de produits chimiques sensibles à l'air et coûteux, le traitement par lots dans des récipients de petit volume - comme ceux disponibles pour les vibro-broyeurs RETSCH - constitue un avantage.
- Pour des quantités d'échantillons jusqu'à 6 x 20 ml
- Finesse finale* : 0,1 µm ;
- Décomposition cellulaire par ''Bead Beating''
- Broyage par impact et par frottement
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Alliage mécanique - FAQ
Quels sont les broyeurs les plus adaptés à l'alliage mécanique ?
Les broyeurs utilisés pour l'alliage mécanique ont également été décrits dans la littérature. Là encore, les broyeurs à grande vitesse (jusqu'à 35 Hz) et donc à apport d'énergie comme le MM 500 vario ou le MM 500 nano sont bénéfiques. Étant donné que le contrôle de la température est également important pour les processus d'alliage mécanique, le CryoMill et le MM 500 control sont de bonnes options.
Pourquoi les broyeurs planétaires à billes sont-ils populaires pour l'alliage mécanique ?
Ces broyeurs sont très polyvalents en termes de tailles de bols (12-500 ml), de nombre de bols pouvant être utilisés en même temps (jusqu'à huit) et de matériau des bols. Le nombre et la taille des billes de broyage permettent de tester différentes conditions dans les processus d'alliage mécanique. Enfin, les couvercles d'aération permettent de broyer dans des atmosphères inertes.
Qu'en est-il de l'Emax et de ses avantages pour l'alliage mécanique ?
L'Emax offre un énorme apport d'énergie jusqu'à 76 g, ce qui est bénéfique pour l'alliage mécanique. De plus, les bols peuvent être refroidis, ce qui permet un meilleur contrôle du processus d'alliage mécanique. Des couvercles d'aération sont disponibles et différents matériaux et tailles de bols jusqu'à 125 ml.
Références
[1] Images et expériences de A. Wagner, U. Pelz, Institut de chimie inorganique et analytique, Université Albert Ludwigs [2] E. Botcharova, M. Heilmaier, L. Schultz : Alliages cuivre-niobium et procédés de production, Deutsches Patens DE 102 10 423 C1 [3] Thèse Ekatarina Bocharova, Faculté de génie mécanique, Université technique de Dresde