Chaque année, 2% de l'acier est corrodé par le métal liquide et cause des milliards de dollars de pertes.

Recherche de matériaux et / ou de traitements de surface résistants à l’aluminium en fusion

Résistance à la corrosion Recherche de matériaux et / ou de traitements de surface résistants à l’aluminium en fusion

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Auteur /
Éditeur:
Ahmet Şener
/ Nicole Kareta

Dans cette étude, le comportement à la corrosion de l’acier allié 11SMnPb30 + C qui n’est pas traité en surface et boronisé à différents niveaux a été étudié dans l’aluminium liquide à l’aide d’un alliage liquide de la série ENAC-47000.

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Chaque année, 2% de l’acier est corrodé par le métal liquide et cause des milliards de dollars de pertes.

L’utilisation d’alliages d’aluminium a augmenté dans toutes les industries, en particulier dans l’industrie automobile car ils sont 66% plus légers en termes de densité par rapport aux alliages d’acier et principalement depuis la résistance à la corrosion des alliages contenant du magnésium1 est plus élevé.

L’utilisation de l’aluminium a été multipliée par 9 aux États-Unis entre 1950 et 20092, 40 fois en Italie3, alors qu’il a augmenté de 45 fois en Chine4 seulement entre 1990 et 2009.

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Cette augmentation de l’utilisation de l’aluminium a entraîné des étapes de production telles que le repos, le transport et le moulage de l’aluminium liquide. L’aluminium liquide et ses alliages sont l’un des métaux liquides les plus agressifs en raison de leur activité chimique élevée par rapport à presque tous les métaux et oxydes métalliques5. Chaque année, 2% de l’acier est corrodé par le métal liquide et cause des milliards de dollars de pertes8.

L’utilisation de l’aluminium liquide de plus en plus chaque jour dans la production et les difficultés dues à sa nature ont créé des exigences telles que l’utilisation de matériaux à haute résistance à l’aluminium liquide, le revêtement et le traitement de surface. Par conséquent, dans cette étude, l’effet de boronisation de l’acier de coupe libre allié 11SMnPb30 + C à différents niveaux et le comportement à la corrosion de l’aluminium liquide ont été examinés. De plus, l’effet du temps de boronisation sur la résistance à la corrosion a été étudié.

Des recherches ont été menées sur la nitrocarburation6 et boronisation7 afin de comprendre le mécanisme de corrosion des alliages d’acier en aluminium liquide et d’augmenter la résistance à la corrosion. Dans l’étude réalisée par D.C. Lou et et. En 2005, parmi ces études, il a été conclu que la résistance des alliages d’acier dans l’aluminium liquide est augmentée par la boronisation.

Couverture du livre blanc: Vogel Communications Group

Boronisation

L’acier de coupe libre allié 11SMnPb30 + C, qui peut être trouvé facilement et utilisé dans la production de broches, a été utilisé pour examiner le comportement à la corrosion de la boronisation dans l’aluminium liquide. Les échantillons ont été coupés de manière cylindrique de 70 mm de longueur et 18 mm de diamètre. Ils ont été nettoyés avec de l’alcool éthylique et préparés pour la boronisation. La poudre Ekabor-II (90% SiC, 5% B4C et 5% KBF) a été utilisée pour la boronisation. Les échantillons ont été boronisés pendant 3 et 6 heures à 1000 ° C. Les échantillons résultants ont été coupés et examinés au microscope optique. Après 3 et 6 heures, la profondeur de boronisation a été déterminée à 190 et 250 microns, respectivement.

Tableau 1_Composition chimique de l'acier allié 11SMnPb30 + C utilisé
Tableau 1_Composition chimique de l’acier allié 11SMnPb30 + C utilisé

(Source: Ahmet Sener)

Immersion dans l’aluminium liquide

L’alliage liquide ENAC-47000, qui est largement utilisé dans la coulée à haute pression en raison de sa teneur élevée en Si, a été préféré pour l’immersion dans l’aluminium. Après avoir retiré les échantillons maintenus dans de l’aluminium liquide pendant 1 heure, l’excès d’aluminium restant à leur surface a été nettoyé chimiquement pendant 8 heures dans une solution de NaOH à 10%.

Les échantillons nettoyés ont d’abord été pesés sur des balances de précision puis ont été coupés en prenant des coupes circulaires, après broyage et polissage, ils ont été gravés pendant 7 secondes dans une solution Nital diluée à 2%.

Tableau 2_Composition chimique de l'alliage ENAC-47000 utilisé
Tableau 2_Composition chimique de l’alliage ENAC-47000 utilisé

(Source: Ahmet Sener)

Analyse de poids

Les mesures de différence de poids des échantillons sur les échelles de précision ont été calculées en mm3 / cm2 heures et les résultats étaient comme indiqué dans le graphique 1 ci-dessous. La perte de masse dans l’échantillon non borisé était de 0,82 mm3 / cm2, alors qu’elle était respectivement mesurée de 0,27 à 0,18 mm3/cm2 dans des échantillons qui ont été boronisés pendant 3 et 6 heures. En conséquence, à mesure que le temps de boronisation augmente, la résistance à la corrosion contre l’aluminium liquide augmente.

Graphique 1: perte de masse des échantillons de la surface unitaire en fonction des niveaux de boronisation
Graphique 1: Perte de masse des échantillons de la surface unitaire en fonction des niveaux de boronisation

(Source: Ahmet Sener)

Ces résultats soutiennent l’étude de D.C. Lou et et. en 2005. Dans cette étude, l’acier inoxydable 22Cr – 5 Ni Duplex et l’acier à outils H13 ont été boronisés pendant 5 heures à 1025 ° C, et la fonte a été boronisée pendant 5 heures à 850 ° C. Les pertes de volume horaire en aluminium liquide ont été améliorées de 20, 3 et 16 fois, respectivement.

Analyse microstructurale

Les images obtenues à partir des examens des échantillons avec un microscope optique et un microscope électronique à balayage sont comme le montre la figure 5-7. À mesure que le niveau de boronisation augmente, un FeB et un Fe plus durables2La couche B se forme à la surface et augmente la résistance à la corrosion. Sur la figure 6-a et 6-d profondeur de boronisation, en 6B et 6C c FeB (noir) et Fe2B (gris) peut être vu. Sur la figure 7-a et 7-d profondeur de boronisation, en 7-b FeB (noir) et Fe2B (gris) et dans la morphologie de surface 7-c peut être vu.

Analyse EDS

Une analyse EDS a été menée pour étudier l’analyse chimique des phases dans la profondeur de boronisation et l’effet de corrosion de l’aluminium. Les éléments de l’analyse EDS étaient limités par Fe, Al et B.

Tableau 3: Composition chimique de l'échantillon immergé dans de l'aluminium liquide sans boronisation
Tableau 3: Composition chimique de l’échantillon immergé dans de l’aluminium liquide sans boronisation

(Source: Ahmet Sener)

Comme on peut le voir dans l’analyse EDS, la teneur en Al est la plus élevée parmi tous les autres échantillons et aucune trace de bore n’est visible.

Tableau 4: Analyse chimique de l'échantillon immergé dans de l'aluminium liquide avec 3 heures de boronisation
Tableau 4: Analyse chimique de l’échantillon immergé dans de l’aluminium liquide avec 3 heures de boronisation

(Source: Ahmet Sener)

La boronisation n’a pas pu atteindre la zone 4.

Tableau 5: Analyse chimique de l'échantillon immergé dans de l'aluminium liquide avec 6 heures de boronisation
Tableau 5: Analyse chimique de l’échantillon immergé dans de l’aluminium liquide avec 6 heures de boronisation

(Source: Ahmet Sener)

La zone 1 est riche en Fe2B, la zone 2 est une combinaison de Fe2B et FeB et la zone 3 est riche en FeB. La zone 1 est riche en Fe2B, la zone 2 contient du FeB qui est riche en bore et la zone 3 est la zone de transition qui contient le plus bas de bore.

Essais de dureté

Des tests de dureté ont été effectués avec des micro vickers (Shimadzu HMV-2 E (334-04109-22)) à intervalles de 50 microns de l’extérieur vers l’intérieur de l’échantillon sectionné. Comme prévu dans les échantillons après boronisation, une augmentation de la dureté jusqu’à 6 fois a été observée. Après avoir passé la profondeur de boronisation, la dureté a été mesurée à 200 micro vickers similaires à l’échantillon non traité. Les résultats des mesures peuvent être consultés en détail dans le graphique no. 2.

Graphique 2_Analyse de dureté de section transversale de l'extérieur vers l'intérieur
Graphique 2_Analyse de dureté de section transversale de l’extérieur vers l’intérieur

(Source: Ahmet Sener)

Résultats

À la suite de l’étude réalisée, il a été observé que le temps de boronisation avait un effet positif sur la résistance à la corrosion de l’acier dans l’aluminium liquide. Les valeurs trouvées comme résultats des expériences sont compatibles avec les études de la littérature. En conséquence, il a été confirmé que la boronisation est une alternative peu coûteuse et efficace pour améliorer la résistance à la corrosion des aciers non spéciaux en aluminium liquide.

Références

(1) Davis, J.R. (2001). Aluminium et alliages d’aluminium. Alloying Understanding the Basics, 351-416.

(2) Chen, Q.W. Graedel, T.E. (2011). Analyse dynamique des stocks et des flux d’aluminium aux États-Unis: 1900–2009. Ecological Economics, 91-102.

(3) Chiacci, L. Chen, W. Passarini, F. Eckelman, M ,. Vassura, I. Morselli, L. (2013). Évolution historique des stocks et des flux anthropiques d’aluminium en Italie. Resources, Conservation and Recycling, 72, 1-8.

(4) Chen, W.Q. Lei, S. (2011). Analyse des stocks et des flux d’aluminium en Chine continentale de 1950 à 2009: exploration de la dynamique à l’origine de l’augmentation rapide de la production d’aluminium en Chine. Resources, Conservation and Recycling, 65, 18-28.

(5) Zhou, M. Li K. Shu, D. Sun, B. D. Wang, J. (2003). Propriétés de résistance à la corrosion des émaux à haute teneur en B2O3-P2O5 sur l’aluminium fondu. Science et génie des matériaux, A346, 116-121.

(6) Chen, G.Wang, J.Fan, H.Wang, D.Li, X. Dong, H. (2018). Combattre la corrosion de l’aluminium fondu de l’acier AISI H13 par nitrocarburation liquide à basse température, Journal of Alloys and Compounds, 776, 702-711.

(7) Lou, D.C.Akselsen, O.M. Onsøien, M.I. Solberg, J.K. Berget, J. (2005). Modification de la surface de l’acier et de la fonte pour améliorer la résistance à la corrosion de l’aluminium fondu. Surface and Coatings Technology, 200, 5282-5288.

(8) Vous, Z.Chen, M. Chen, K.Xie, D.Zhu, S.Wang, F. (2018). Corrosion de l’émail avec et sans CaF2 dans l’aluminium fondu à 750 ° C. Corrosion Science, 148, 228-236.

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