05/01/2011
Meknès
Traitement du métal li uide Inoculation & affinage Cours de Procédés de fonderie Aboubakr BOUAYAD
Introduction
Meknès
Caractéristiques mécanique d’une pièce moulée dépendent :
Composition et structure de l’alliage, traitements thermique, (facteurs métallurgiques) Compacité et présence ou non d’inclusions non métalliques
On ne peut adapter la composition chimique aux structures et R m désirées (raisons électriques, conductibilit é, résistance à froid, corrosion,…) On ne peut conf érer la cinétique de refroidissement à la pièce de fonderie qui permettrait d ’acquérir les structures et R m exigées pour le cdc (raisons éconmiques, technologiques).
Traitement du métal à l’état liquide 2
1
05/01/2011
Traitement du m étal liquide : d éfinitions et caractéristiques
Meknès
Un traitement qui, sans modifier notablement la , solidification diff érent Une modification momentanée de l’état thermodynamique du bain liquide Si l’alliage est mis en œuvre et solidifié dans un , structure modifiée leurs effets sont purement transitoires, il ont une durée de vie. 3
Inoculation des fontes
Meknès
Un traitement du métal liquide qui consiste à ajouter modifient le processus de solidification de la fonte. ajouter des éléments au métal liquide avant la coulée, pour obtenir des pièces de meilleure qualit é ou du moins répondant au cahier des charges. L'inoculation peut avoir les effets suivants sur le m étal
Augmentation de la germination. Action sur la taille et la répartition du graphite. Diminution de la tendance à la trempe Suppression de la surfusion 4
2
05/01/2011
Mécanisme de l’inoculation le mécanisme le plus probable: Fe3C + FeSi (Inoculant) → CSi + 4Fe Le CSi se décompose par dilution pendant la phase instable : CSi + Fe → FeSi + CG Création de zones riches en silicium vers lesquelles le fer va diffuser
Techniques d’inoculation
Meknès
5
Meknès
Inoculation en poche
Le produit inoculant doit être introduit dans une fonte assez chaude afin de permettre une dissolution sans formation de crasses. Après le métal doit être vivement agité et refroidi a une température critique le plus rap rap emen emen poss poss e a n d’éviter la destruction des germes efficaces Limiter le temps d’attente avant la coulée (entre 4 et 30 min). 6
3
05/01/2011
Techniques d’inoculation
Meknès
Inoculation au moule ’
un aménagement particulier du système de remplissage du moule. Lors de la coul ée, il y a contact du métal liquide avec le produit inoculant à basse température ce qui permet de limiter les pertes par évanescence. Le seul inconvénient de ce système est le risque d’entraî nement nement des résidus vers la pièce.
Inoculation: pouvoir graphitisant, pouvoir inoculant
7
Meknès
(Si, Al graphite, Ni, Cu) qui favorise la solidification stable fer-graphite, du pouvoir germinateur (Ca, Sr, Ba, graphite) qui inhibe la surfusion en créant des germes exogènes. Le pouvoir germinateur du silicium est uasiment nul.
Ce sont les impuret és de ferro-silicium qui sont responsable des effets de l ’inoculation. L’aluminium pur à raison de 0,2%, quel que soit le type de fonte, ne modifie pas le nombre de cellules eutectiques. L ’aluminium pur n’est donc pas un inoculant. 8
4
05/01/2011
Structures de solidification
Meknès
’ structure macroscopique : 3 zones
Zone de peau Zone basaltique Zone équiaxe
Zone basaltique 9
Structures de solidification
Meknès
Zone de peau
ra T ev : orte sur us on, pouvo r germinateur élevé Zone de cristallisation fine
Zone basaltique
La surfusion surfusion s’abaiss s’abaissee rad T reste reste élevé
Zone équiaxe
Grad T faibe, surfusion faible, solidification presque à Température homogène 10
5
05/01/2011
Structure de solidification
Meknès
Ces zones sont rencontrées quand on a une s ruc ure ure par par cu re appe appe e en r que que ≠ solidification des Eutectiques (voir plus loin)
11
Structures de solidification
Meknès
Fonderie : toutes ces forcément présentes :
Pièce mince en moule métallique : zone de peau uniquement Métal pur : pas de zone équiaxe : zone basaltique s’étend jusqu’au cœur (a) Structure modifiée : (c) 12
6
05/01/2011
Alliages d’aluminiums
Meknès
Alliages hypoeutectiques (ex : AS7G) Alliage eutectique (ex : AS13) Affina e Modification Caractéristiques mécaniques 13
Les alliages d’aluminium de fonderie Meknès
’
Aluminium-Silicium : Alliage AS7G : Al 92%, Si 7%, Magnésium < 1% Alliage AS13 : Al 86%, Si 13%, reste< 1%
Al-Mg Al-Zn 14
7
05/01/2011
Les alliages d’aluminium de fonderie Meknès
Diagramme d’équilibre AS7
AS13
AS17
Alliage eutectique
Alliage Alliagess hypoeut hypoeutecti ectique quess
Alliage Alliagess hypere hypereutec utectiqu tiques es 15
Métallurgie des alliages Al-Si
Meknès
16
8
05/01/2011
Métallurgie des alliages Al-Si
Meknès
Structure dendritique
Phase proeutectique α Eutectique Al-Si
Affinage des alliages d’aluminium
17
Meknès
Affinage
But : augmenter le nombre de sites de cristallisation de la phase proeutectique et d’éviter la croissance colonnaire. Effet : ↑ Rm et ↑ A% du matériau ainsi que d’améliorer son état de surface. Un bon affinant industriel doit avoir les qualités suivantes :
être insoluble dans la phase liquide
ne pas coalescer
engendrer une température de germination supérieure à la température de croissance et même celle d ’équilibre 18
9
05/01/2011
Affinage des alliages d’aluminium
Meknès
Affinage des alliages hypoeutectiques Al-Si
On favorise la germination de la phase a. Dans ces cas, on utilise comme éléments affinants du titane ou du bore et des germes actifs de TiB2 ou de TiAl3. Le traitement est efficace si la teneur initiale du bain liquide est proche de 0,08% de titane et permet d’obtenir une teneur résiduelle en titane de 0,12%.
Affina Affina e des allia allia es h ereutec ereutectiti ues Al-Si Al-Si
C’est le cas des solutions solides en phase proeutectique riche en silicium. Dans ce cas, l’élément affinant utilisé est le phosphore et les germes actifs sont des germes de Pal (phosphure d’aluminium). La teneur en phosphore résiduel doit être inf érieure à 150 ppm sinon il y a formation de phosphates ce qui diminue la résistance à la corrosion. 19
Affinage des alliages hypoeut.
Meknès
But : diminuer la taille du grain α d’où R m, A% et état de surfaces augmentent Qualités d’un affinant industriel :
Être insoluble dans la phase liquide e pas coa escer escer
Eléments affinants : Titane (Ti), Bore (B) : TiB2, TiAl3 Alliage mère : AlTi5B
20
10
05/01/2011
Les alliages d’aluminium de fonderie Meknès
’
Phase primaire α
AS7G non affiné
AS7G affiné
21
Les alliages d’aluminium de fonderie Meknès
Alliage AS7G
Phase eutectique α+β Aciculaire
lamellaire Fibreuse 22
11
05/01/2011
Les alliages d’aluminium de fonderie Meknès
Alliage eutectiques : AS13 aciculaire
Fibreuse
Modification de la phase eut.
23
Meknès
But : obtenir un eutectique fin et fibreux amélioration de la R m, A% et usinabilit é Alliage Al-Si pur : structure lamellaire Présence de Phosphore : structure aciculaire Agent modifiant : le sodium (Na), le strontium (Sr) et l’antimoine (Sb) Force l’eutectique à se précipiter sous forme fibreuse 24
12
05/01/2011
Diagramme de Nolting
Meknès
25
Caractéristiques mécaniques Alliage
Etat
Non modifié modifié Non modifié AS10G modifié Non modifié AS7G modifié AS13
Rm (MPa)
A (%)
133 183 254 287 263 280
3 9 1.1 3.6 4 5
Meknès
26
13
