Une particularité est la composition des matériaux OFC, qui sont principalement constitués d

Composites de fibres d’oxyde pour la coulée d’aluminium

Matériaux Composites de fibres d’oxyde pour la coulée d’aluminium

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Auteur/
Éditeur:
Philipp Kolbe
/ Nicole Kareta

Les pièces techniques sont soumises à une charge extrême lors du traitement de la fonte d’aluminium dans des environnements fortement corrosifs et oxydants, tandis qu’à des températures élevées et soumises à de grandes fluctuations de température. Les pièces du système et les agents auxiliaires en composites à fibres d’oxyde (OFC) ont une durée de vie considérablement plus élevée dans de telles conditions que les pièces en matériaux conventionnels.

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Une particularité est la composition des matériaux OFC, qui sont principalement constitués d’oxyde d’aluminium (Al2O3) et ne contiennent pas de part de silicium.

(Source: Philipp Kolbe, TU Bergakademie Freiberg)

Les exigences croissantes imposées aux matériaux des composants d’outils et de systèmes traitement de l’aluminium fond, afin de lutter contre l’usure et les salissures, ne peuvent plus être facilement rencontrées grâce aux matériaux conventionnels. Dans l’industrie de la fonderie, l’accent est mis de plus en plus sur le développement et l’examen de matériaux appropriés dont la propriété la plus importante est de présenter une résistance chimique combinée à des caractéristiques matérielles favorables telles que la résistance, la ductilité ou la résistance aux chocs thermiques lors du traitement de l’aluminium fond. Soi-disant céramique d’oxyde renforcée de fibres d’oxyde (ou composites de fibres d’oxyde, OFC), représentent une classe de matériaux relativement nouvelle.

Les principaux moteurs de la croissance constante de la production d'aluminium sont l'industrie automobile, l'aérospatiale, la construction mécanique et les industries de l'emballage.

Caractéristiques exceptionnelles de corrosion et d’oxydation

Avec ces matériaux OFC, les fibres céramiques oxyde sont intégrées dans une matrice céramique oxyde poreuse. Des mécanismes spécifiques de rupture microstructurale dissipant l’énergie conduisent à un comportement du matériau quasi ductile et tolérant aux dommages. Contrairement aux céramiques monolithiques non renforcées, les brèches locales sur le composant n’entraînent pas de dommages globaux au système. Cela peut être démontré par la perforation sans fissure d’un clou à travers un panneau OFC (Fig. 1).

Figure 1: Les brèches locales sur le composant n'entraînent pas de dommages globaux au système, comme le démontre la perforation sans fissure d'un clou à travers un panneau OFC.
Figure 1: Les brèches locales sur le composant n’entraînent pas de dommages globaux au système, comme le démontre la perforation sans fissure d’un clou à travers un panneau OFC.

(Source: Philipp Kolbe)

Ce comportement des matériaux rend également possible le traitement mécanique par tournage, fraisage ou perçage, ce qui offre des options supplémentaires et liberté de conception par rapport à la céramique conventionnelle. Une autre particularité est la composition des matériaux OFC, qui sont principalement constitués d’oxyde d’aluminium (Al2O3) et ne contiennent pas de part de silicium, ce qui entraîne des caractéristiques inhérentes de corrosion et d’oxydation inhérentes aux fondus d’aluminium et à l’oxygène atmosphérique. Cela prouve une résistance chimique à l’aluminium liquide et à ses alliages ainsi qu’un comportement de mouillage extrêmement avantageux et une élimination facile de l’aluminium solidifié des composants OFC (Fig. 2).

Figure 2: La fonte d'aluminium solidifié des matériaux OFC peut être facilement retirée d'un récipient de dosage.
Figure 2: La fonte d’aluminium solidifié des matériaux OFC peut être facilement retirée d’un récipient de dosage.

(Source: Philipp Kolbe)

De plus, du point de vue physique, ces matériaux sont idéaux pour une utilisation dans des fondus d’aluminium. Une attention particulière doit être haute résistance des matériaux et tolérance aux dommages sous charge thermo-mécanique. Cette très bonne résistance aux conditions thermiques changeantes garantit aux composants OFC une résistance constante du matériau lors des processus d’immersion dans l’aluminium fondu (Fig. 3), un avantage significatif par rapport aux céramiques monolithiques non renforcées. De plus, les matériaux OFC se distinguent par leurs caractéristiques thermiques favorables. La faible conductivité thermique et la réalisation d’épaisseurs de paroi minces présentent ici un intérêt particulier. La densité du matériau inférieure à 3 g / cm³ et la option de conception à paroi mince permettent également une ingénierie légère et améliorent la manipulation par rapport aux composants constitués de matériaux conventionnellement utilisés.

Figure 3: Il existe une résistance à la traction pour les échantillons OFC après les tests d'immersion dans l'alliage AlSi9Cu3.
Figure 3: Il existe une résistance à la traction pour les échantillons OFC après des tests d’immersion dans un alliage AlSi9Cu3.

(Source: Philipp Kolbe)

Application

L’utilisation de composants OFC pour le traitement de la fonte d’aluminium permet une amélioration significative des caractéristiques du produit et du processus. En conséquence, la classe de matériaux OFC a le potentiel d’améliorer ou de remplacer des composants pour la manipulation de fonte d’aluminium qui, dans la pratique industrielle actuelle, sont constitués de matériaux métalliques, céramiques ou graphites.

Figure 4: Dans le cas des lavoirs doseurs et des distributeurs distributeurs, les dépenses et les coûts peuvent être considérablement réduits.
Figure 4: Dans le cas des lavoirs doseurs et des distributeurs distributeurs, les dépenses et les coûts peuvent être considérablement réduits.

(Source: Philipp Kolbe, TU Bergakademie Freiberg)

Cela se traduit par divers avantages, selon le cas d’application. Dans le cas des lavoirs doseurs et des distributeurs distributeurs (Fig.4), les dépenses et les coûts peuvent être considérablement réduits en éliminant le processus de dimensionnement et en utilisant moins d’énergie en évitant la surchauffe et la réduction des pertes de température en raison d’une paroi mince. , design fermé. De plus, une durée de vie accrue et une qualité de pièce de coulée plus élevée peuvent être attendues, car aucun lavage des particules de céramique hors de la lessive ou des particules d’encollage n’a lieu. De plus, une plus grande fiabilité du procédé peut être obtenue grâce à l’exclusion du risque de rupture fragile. Ainsi, le total les coûts sont réduits et les processus de fabrication deviennent plus rentables.

Le matériau OFC développé peut également être utilisé pour la conception de creusets de fusion pour l’aluminium fondu (Fig. 5). Les salissures entrant à travers le matériau du creuset sont minimisées en raison du comportement de mouillage avantageux et de la résistance chimique du matériau. De plus, le matériau OFC démontre une résistance exceptionnelle aux masses d’aluminium agressives et aux matériaux hautement réactifs affinés à l’oxygène tels que le sodium ou le strontium qui ont été utilisés pour la modification. Cela signifie que les creusets en OFC peuvent être utilisés pour des compositions d’alliages variables et offrent en même temps la possibilité d’un rendement presque complet, car le collage est exclu.

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

(Source: Philipp Kolbe)

La très bonne résistance aux conditions thermiques changeantes et la stabilité de la forme pendant les cycles thermiques permettent des utilisations jusqu’à une température maximale de 1100 ° C. Les creusets n’ont pas besoin d’être chauffés à la température de fonctionnement et la fragilité ou le ramollissement des creusets lorsqu’ils sont utilisés en permanence est exclu. La fonte d’aluminium peut se solidifier et être fondue à nouveau dans un creuset OFC sans aucun problème, et représente ainsi une amélioration significative par rapport à l’état de la technique. L’épaisseur de paroi mince et les propriétés thermo-mécaniques du matériau le rendent particulièrement adapté application dans les fours à induction. La distance réduite entre le bain de fusion et les bobines d’induction permet de faire fondre le matériau à des intervalles beaucoup plus courts que lors de l’utilisation de la méthode de pointe et conduit à des économies d’énergie. Le nettoyage simple et sans dommage des composants OFC représente également beaucoup moins d’efforts pour les employés de production. La structure d’ingénierie légère est un avantage d’un point de vue ergonomique.

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Avantages pour les fonderies d’aluminium

À l’aide de composants OFC, de nombreuses applications réfractaires optimisées peuvent être réalisées pour les fonderies d’aluminium et leurs employés. Les principales caractéristiques et avantages du matériau innovant pour le traitement de la fonte d’aluminium peuvent être résumés comme suit:

  • combinaison de haute résistance des matériaux et ductilité sous charge thermo-mécanique,
  • propriétés thermo-mécaniques exceptionnelles,
  • haute tolérance aux dommages, pas de risque de rupture fragile,
  • très bonne résistance aux variations de température,
  • résistance à la corrosion et à l’oxydation,
  • résistance chimique à l’aluminium fondu et à l’oxygène atmosphérique,
  • comportement mouillant avantageux,
  • pas de réaction avec le sodium, le strontium,
  • retrait facile de l’aluminium solidifié,
  • faible conductivité thermique,
  • épaisseur de paroi mince des composants,
  • ingénierie légère grâce au renforcement et à la densité des fibres
  • pas de pénétration d’aluminium dans les matériaux poreux
Couverture du livre blanc: Messer

Nouveaux domaines d’application

Les applications présentées ne couvrent pas l’ensemble du portefeuille de produits envisageable. Cette classe de matériaux ouvre de nouveaux domaines d’application et de possibles développements futurs de composants, des composants et applications singuliers aux structures en matériaux composites, par exemple sur la base d’incrustations ou de renforts dans des systèmes existants. Grâce aux caractéristiques thermomécaniques et chimico-physiques avantageuses, à l’utilisation réduite d’énergie et de temps et à l’amélioration des conditions de traitement, le matériau OFC présenté est un pionnier dans le traitement de la fonte d’aluminium et contribue à minimiser les coûts globaux des fonderies.

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