Cet article explique comment exploiter les propriétés mécaniques maximales d'un alliage de moulage d'aluminium avec une composition chimique définie.

Comment exploiter les propriétés mécaniques maximales d’un alliage d’aluminium moulé

Propriétés mécaniques Comment exploiter les propriétés mécaniques maximales d’un alliage d’aluminium moulé

Auteur / éditeur: Dr.-Ing. Marko Grzinčič / Nicole Kareta

Dans le domaine multidisciplinaire de la fonderie, beaucoup peut être fait pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques, mais beaucoup peut également être gâché. Cet article aborde la question de savoir comment obtenir les bonnes propriétés de moulage.

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Cet article explique comment exploiter les propriétés mécaniques maximales d’un alliage de moulage d’aluminium avec une composition chimique définie.

Pour des propriétés mécaniques élevées, une bonne métallurgie, un système de déclenchement et d’alimentation approprié, y compris la bonne position de la coulée dans le moule (dépend de la technologie de coulée: coulée par gravité, coulée inclinée, Rotacast, processus de retournement, LPDC, coulée contre pression, HPDC ) sont supposées. Nous choisissons le matériau du moule, nous travaillons avec différents systèmes de revêtement, nous pouvons refroidir le moule et le traitement thermique a une grande influence. Pourriez-vous deviner comment le taux de solidification affecte les propriétés mécaniques par rapport au traitement thermique? La réponse est ambiguë. Cela dépend aussi de l’alliage! On peut donc dire que l’effet peut être de 50/50, ou que le taux de solidification ne représente que 10% et 90% seront apportés par le traitement thermique. Nous pouvons avoir des équipements de pointe, mais lorsque la technologie échoue, nous ne comprenons pas le contexte, les efforts sont vains. Cet article traite du sujet.

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Outils pour le moulage sous pression de l'aluminium lors du dépôt de diamant.

Dans quelle mesure le taux de solidification de la pièce moulée affecte-t-il ses propriétés mécaniques?

Le premier critère décisif est matériau de moule lorsque l’effet de refroidissement est globalement caractérisé par le coefficient d’accumulation de chaleur du moule et les quantités physiques de conductivité thermique, la capacité thermique spécifique et la densité sont appliquées ici. Par conséquent, les propriétés mécaniques des moulages en sable et en moules peuvent être facilement trouvées dans les normes pour les alliages individuels. [1]. Par exemple, pour l’alliage A356 (AlSi7Mg0.3), la différence des valeurs de résistance à la traction pour les moulages en sable et en moule est de 10 à 20%, pour la ductilité la différence entre le moulage au sable et en moule est plus importante lorsqu’elle augmente de 30 à 50% . Si nous devons choisir un matériau qui élimine de manière fiable la chaleur de la pièce moulée, et résiste également facilement aux effets du grenaillage ou à l’effet thermo-chimique de la fonte d’alliage d’aluminium, alors Densimet 185 avec une conductivité thermique de 85 Wm-1K-1 convient (le laiton a 110-130, le bronze ~ 70, l’acier de travail à chaud <35, la fonte jusqu'à 63). Avec sa conductivité ~ 390 Wm-1K-1, le refroidissement interne en cuivre est idéal, mais il nécessite un entretien exigeant. Bien entendu, à la place du refroidissement local, le revêtement de protection, commun pour le moule en acier, n’est pas utilisé ou l’épaisseur de couche est vraiment faible (pour minimiser l’effet d’isolation chaude). Le choix de la technologie ne dépend pas seulement des propriétés du matériau coulé. Les facteurs économiques sont pris en compte, où le moulage au sable peut être très productif et les outils (plaques modèles) incomparablement moins chers que les moules en acier, la précision dimensionnelle de la production, la qualité de surface, etc. sont également prises en compte.

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Figure 5: Le matériau OFC développé peut également être utilisé pour la conception de creusets de fusion pour les fonte d'aluminium.

Néanmoins, la situation a considérablement changé en traitement thermique. La résistance à la traction 340 MPa pour l’alliage A356 (AlSi7Mg0.3) peut être obtenue de manière fiable par traitement thermique. Cependant, il a certaines conditions préalables. Le traitement thermique augmente la résistance à la traction contre l’état moulé de 40% et plus. Lorsque nous aidons au traitement thermique, une pièce moulée traitée thermiquement T6 à partir d’un moule permanent peut avoir une ductilité deux fois plus élevée qu’une coulée moulée en sable traité thermiquement, mais la différence de résistance n’est certainement pas si importante. Il semblerait qu’un traitement thermique de haute qualité des pièces moulées en sable ou en coquilles garantisse des «propriétés mécaniques élevées». Néanmoins, une distinction doit être faite entre résistance et ductilité (indiquant que le matériau est résistant). Dans le même temps, la différence de 10% de résistance peut être de 30 MPa et c’est une grande différence.

Vous pouvez travailler avec la vitesse de solidification – les moules peuvent être refroidi avec de l’air sous pression et de l’eau, où une histoire différente est écrite. À quoi peut-on s’attendre du refroidissement à l’eau du moule? L’eau a une conductivité thermique de 0,604 Wm-1K-1, tandis que l’air seulement 0,026; la capacité thermique spécifique de l’eau est de 4,2 kJkg-1K-1, tandis que l’air a seulement env. 1 kJkg-1K-1 et le coefficient de transfert de chaleur est également au moins d’un ordre de grandeur plus élevé dans le cas de l’eau que dans le cas de l’air (Wm-2K-1). Telles sont les raisons d’un transfert de chaleur au moins deux fois plus intense par l’eau que par l’air comprimé. Un facteur important est économique lorsque l’air comprimé est le support le plus cher dans une fonderie. L’effet du taux de solidification peut être mesuré avec élégance par la taille du S-DAS (distance des bras secondaires des dendrites de phase alpha), lorsque le temps de solidification a une forte influence sur la microstructure et donc, les propriétés mécaniques (valeur S-DAS de 10 µm est inatteignable dans la pratique normale d’exploitation, il est possible de calculer en pratique avec MIN 14 µm et toujours proche de la croûte de coulée).

Microstructure de l'alliage d'aluminium 308 provenant d'un moulage par gravité dans un moule permanent refroidi par l'eau (images du bas) et alimenté avec une colonne montante atmosphérique (les images du haut représentent la zone sous la colonne montante).
Microstructure de l’alliage d’aluminium 308 provenant d’un moulage par gravité dans un moule permanent refroidi par l’eau (images du bas) et alimenté avec une colonne montante atmosphérique (les images du haut représentent la zone sous la colonne montante).

(Source: Marko Grzinčič)

Outre le fait que les propriétés mécaniques augmentent avec une structure à grains fins, l’influence sur la taille des défauts du matériau. Pour simplifier, ne considérons pas maintenant l’influence de l’hydrogène dissous, et surtout des inclusions d’oxydes – supposons une fusion idéalement purifiée et un remplissage technologiquement maîtrisé de la cavité du moule. Lors du prélèvement d’un échantillon pour le test de traction, on tombe sur une macro-inclusion oxydique dans le matériau (je perçois la frontière entre micro et macro 0,40 mm), alors on peut difficilement s’attendre à un allongement supérieur à 1%. L’effet sur la résistance à la fatigue est également fatal si des défauts internes se produisent dans la zone de macro-taille. Les inclusions sont simplement un désastre, et ceux qui ne peuvent pas faire face à la fonderie métallurgique, ne les laissent plus essayer.

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Concentrons-nous sur la qualité du traitement thermique. De grandes différences d’impact du traitement thermique sur les propriétés mécaniques peuvent être lues dans la littérature. Les paramètres de temps de maintien sont parfois absurdes à la fois aux températures de dissolution et de vieillissement – aucun client ordinaire n’achèterait de telles pièces moulées. Par conséquent, il peut être recommandé aux fonderies d’effectuer des tests internes et de découvrir les courbes de durcissement réelles, c’est-à-dire où se situe la résistance maximale réelle, typique du mode T6 en fonction de la température de vieillissement. Le surdimensionnement induit des changements microstructuraux dans le matériau (les changements peuvent être documentés par STEM) et que le S-DAS seul n’a plus d’effet sur la résistance. Un chauffage complètement uniforme de la charge dans le four, une homogénéité de la température du volume du four tout au long du temps de maintien du recuit en solution et la vitesse de refroidissement (déterminée par les normes CQI-9 et NADCAP) sont nécessaires pour le traitement thermique. La microstructure parfaite du matériau issu de la solidification de la coulée ne nous aidera pas si, lors de la dissolution, les phases intermétalliques non dissoutes avec des éléments de durcissement restent dans la structure. Dans le même temps, la charge n’est pas bien (rapidement) refroidie ainsi, les atomes des éléments durcisseurs forment à nouveau des phases intermétalliques au lieu de matériau de renforcement dans les zones Guinier-Preston.

Cependant, il sera toujours nécessaire d’alimenter le retrait volumique lors de la solidification de l’alliage. Plus la coulée est complexe, plus l’alimentation assez simple ne suffit pas. Aucun traitement thermique ne sauvera tout effet négatif de la porosité dendritique formée lors de la solidification. Néanmoins, un technologue a la possibilité de travailler avec plus solidification dirigée grâce au refroidissement par eau des zones de moule adaptées. Non seulement les pores sont absolument plus petits avec le taux de solidification, mais le front de solidification peut être contrôlé par refroidissement à l’eau. Ce faisant, il est nécessaire d’éviter d’interrompre le gradient de température vers la colonne montante (système d’alimentation), si la conception le permet un peu au moins. Une autre tâche est le soin des circuits de refroidissement. Des différences significatives de transfert de chaleur ne peuvent être acceptées en raison de l’augmentation progressive des sédiments tels que les oxydes de calcium et de magnésium sur les parois des canaux de refroidissement. De ce fait, la position de l’axe de température de la pièce moulée solidifiante peut même être modifiée de l’ordre de quelques centimètres.

Couverture du livre blanc: Messer

Par souci de simplicité dans cet article, je n’ai pas pris en compte l’influence très négative d’une morphologie inappropriée des phases intermétalliques, par exemple à base de fer, sur les propriétés mécaniques. Incidemment, la phase intermétallique en tant que telle dans la structure finale du matériau de coulée ne contribue jamais positivement aux propriétés mécaniques. La vitesse de solidification influence également la taille des phases intermétalliques – une vitesse de refroidissement très rapide minimise l’effet négatif, par exemple, des phases Al5FeSi / Al3Fe.

[1] Aluminium Casting Technology, American Foundry Society, Illinois, 2001, 356 p.

(ID: 47358504)

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