Fonderie d’aluminium

Structure des alliages de fonderie

Cette structure comprend des solutions solides sous forme de dendrites (hypoeutectiques), des eutectiques plus ou moins complexes (binaires, ternaires) et des constituants intermétalliques. Nous y reviendrons par la suite. Dans le système Al-Si, les cristaux solides d’aluminium se forment sur les parois du moule (plus froides que le cœur) ainsi que sur des nucléus au sein du métal et croissent. Leur composition en Si est inférieure à celle du liquide qui les entoure car la solubilité de Si dans Al décroît avec la température. Donc, le silicium est rejeté à la surface des cristaux en cours de croissance et augmente la température de solidification du liquide à cet endroit.Mais si un germe du cristal en croissance parvient à traverser cette couche de liquide en surfusion, il se retrouve dans un milieu non enrichi en silicium et peut se solidifier, ce qui est thermodynamiquement favorable. Cette protubérance est instable et croît rapidement, ce qui explique que les cristaux d’aluminium se développent non sous forme de sphères ou d’aiguilles mais sous forme d’arborescences appelées dendrites (cf figure I.1), dont les bras secondaires sont espacés de quelques dizaines de micromètres, cette distance est appelée espacement des bras de dendrite. Nous utiliserons par la suite l’acronyme anglais classique, DAS (Dendrite Arm Spacing), ou SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing). L’eutectique se solidifie alors entre les bras de dendrite, dans une zone riche en silicium rejeté à l’avant du front de solidification (silicium en large excès dans cette zone). Ceci a enrichi le métal liquide environnant en silicium, qui va précipiter sous forme d’une plaquette, ce qui draine le silicium en solution a proximité et crée juste à côté une zone d’aluminium presque pur. On va donc former une lamelle d’aluminium. De proche en proche, on forme donc un eutectique lamellaire par croissance compétitive. L’ajout de modifiant comme le strontium permet de rendre sphérique ces particules de silicium. Les propriétés mécaniques de la famille des alliages d’aluminium de fonderie dépendent fortement des paramètres microstructuraux. Il existe donc de nombreuses études traitant de l’influence de ces paramètres. Le SDAS dépend essentiellement de la vitesse de refroidissement du métal liquide ainsi (Wang Q.G. et al., 2001b) ont montré que le SDAS dans l’AS7G03 suivait la loi suivante : 0,317 39,4  SDAS  R Où R = dT/dt représente la vitesse de refroidissement du métal au cours de la solidification. Les données expérimentales sont présentées sur la figure I.2. 

Les alliages d’aluminium de fonderie

Les alliages d’aluminium de fonderie constituent plusieurs familles de matériaux dont la composition est un compromis entre les propriétés de moulage (coulabilité, usinabilité, absence de criquabilité, retrait volumique) et les propriétés d’usage de la pièce (propriétés mécaniques, aspect de surface, aptitude au polissage, résistance à la corrosion …). L’obtention d’un type de propriété mécanique dépend aussi du procédé de moulage (sable, coquille, cire perdue, coulée sous pression …). En effet, la coulée en coquille qui permet des refroidissements rapides donne aux pièces une structure métallurgique plus fine (faible SDAS) et améliore, par rapport au même alliage coulé en sable, les charges à rupture et les allongements. On notera qu’un faible SDAS améliore la durée de vie en fatigue. La solidification en moule se fait en premier lieu sur les parois puis à cœur, ce qui induit un gradient de microstructure (et donc de propriétés) dans la pièce. Certains auteurs, (Seniw M.E. et al., 2000) rapportent qu’il y a plus de pores et de phase eutectique à cœur, dans les parties massives d’une pièce, ce qui signifie que la durée de vie d’éprouvettes tirées du cœur sera inférieure .Les alliages de fonderie sont obtenus de deux façons : – soit à partir d’aluminium provenant directement des cuves d’électrolyse auquel on ajoute les éléments d’addition de l’alliage (alliages dits de première fusion) ; – soit à partir de rebuts récupérés, assortis et purifiés. Ils sont dits de deuxième fusion et assurent pratiquement 50% de la production totale des pièces de fonderie. Il existe, en plus de l’aluminium non allié, quatre grandes familles d’alliages d’aluminium de fonderie, qui sont fonction des éléments d’alliages ajoutés. Ceux-ci se retrouvent soit en solution solide soit sous forme de précipités. Ces familles sont les alliages au silicium, au cuivre, au magnésium et au zinc. On distinguera les additions principales déterminantes pour les propriétés du matériau et les additions secondaires, en plus faible quantité, qui ont une action spécifique, (Massinon D.,Constantin V., 2002), ces éléments sont ajoutés seuls ou combinés notamment le magnésium et le silicium qui forment les précipités de Mg2Si : – le silicium (figure I.3(a)) confère à l’alliage d’excellentes propriétés de fonderie, telles qu’une augmentation de la coulabilité, une diminution de la criquabilité et de l’aptitude à la retassure (il se dilate à la solidification). On note aussi une augmentation de la résistance à l’usure (le silicium est très dur), de l’étanchéité des pièces, mais une diminution de l’allongement à rupture. – le cuivre (figure I.3(b)) augmente les propriétés mécaniques par durcissement structural, principalement la dureté (donc l’usinabilité) et la tenue à chaud sans perte au niveau de la coulabilité mais diminue la résistance à la corrosion et augmente l’aptitude à la crique. (Shabestari S.G., Moemeni H., 2004) – le magnésium (figure I.3(c)) augmente la résistance à la corrosion, aux dommages, l’allongement à rupture et engendre un nouveau système durcissant après traitement thermique (Mg2Si) mais diminue les propriétés de fonderie et d’usinabilité (les copeaux ont tendance à coller aux outils, ce qui augmente leur usure). – le zinc très peu utilisé à cause de ses médiocres capacités en fonderie et ses faibles propriétés mécaniques, il se trouve sous forme de ternaire Al-Zn-Mg, ce qui donne un alliage à durcissement structural avec des précipités MgZn2 , atténue le gazage de l’alliage, améliore la coulabilité (faiblement), diminue l’allongement, augmente la tendance à la microretassure et l’agressivité chimique de l’alliage fondu. L’influence du Zn sur les propriétés de fatigue est rapportée dans (Shih T.-S., Chung Q.-Y., 2003).