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Le chauffage par induction électromagnétique

Description du procédé de chauffage par induction

Le chauffage par induction électromagnétique est un procédé permettant de chauffer des matériaux conducteurs par l’application d’un champ électromagnétique variable. Ce dernier est généré par un inducteur qui est placé autour de la pièce et dans lequel on fait circuler un courant alternatif. Considérons le cas d’un inducteur constitué de spires circulaires horizontales chauffant une pièce cylindrique placée verticalement (Fig. II-1).
Figure II-1. Chauffage par induction électromagnétique d’une pièce métallique cylindrique.

Principe de base

Le principe de base du chauffage par induction consiste à appliquer une tension alternative à un inducteur à l’intérieur duquel on place la pièce à chauffer.
Le champ magnétique généré par le courant circulant dans les spires génère des courants induits. Le champ pénétrant dans la pièce est orienté principalement selon l’axe d’induction électromagnétique vertical et génère des courants induits horizontaux Les variations de flux magnétique induisent dans la pièce des courants de Foucault qui présentent des lignes de force fermées autour des spires provoquant un échauffement par effet Joule.

Utilisation du chauffage par induction

Comme les matériaux métalliques sont en général de bons conducteurs électriques, le chauffage par induction est utilisé pour de nombreuses applications en métallurgie. On citera les procédés de soudage, brasage, refusion de zone et forgeage à chaud. Le chauffage par induction est également intéressant pour le traitement thermique car, comparé à des méthodes classiques en four, il présente les avantages d’offrir un haut rendement, de permettre des cadences de production élevées, tout en étant propre, silencieux et automatisable.

Elaboration des alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn par fusion HF

Généralités sur l’induction HF

Principe de base

Le principe du chauffage par induction électromagnétique est basé sur deux phénomènes physiques :
1. L’induction électromagnétique
2. L’effet joule
L’induction électromagnétique est le vecteur de transfert de chaleur depuis la source vers l’objet à chauffer.
Le transfert de l’énergie vers l’objet à chauffer est créé par induction électromagnétique. Quand une boucle d’un matériau conducteur (voir figure II-2) est placée dans un champ magnétique, on voit apparaître aux bords de la boucle une tension induite.
Figure II-2. Schéma de fonctionnement d’un inducteur.

Fonctionnement d’un générateur HF

Le générateur HF génère un champ magnétique autour de la pièce à chauffer en faisant passer un courant alternatif à travers l’inducteur. La puissance de sortie du générateur détermine la vitesse relative à laquelle la pièce peut être chauffée. L’alimentation est assurée par un convertisseur de fréquence permettant de faire varier la fréquence d’alimentation du circuit [1-4].
Pour la plupart des applications, l’inducteur est un tube en cuivre creux se présentant comme un enroulement venant couvrir l’objet à chauffer (Fig. II-3). Toutefois, l’inducteur peut être placé de différentes façons selon l’application. Comme l’inducteur est le plus souvent en cuivre, afin de limiter les pertes électriques, il est refroidi par eau dans la plupart des cas.
Figure II-3. Inducteur de tube en cuivre.

Etapes d’élaboration des alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn par fusion HF

Préparation des cibles

Matériaux étudiés

Notre travail consiste à étudier les propriétés microstructurales et mécaniques caractéristiques de deux systèmes d’alliages à base d’aluminium, l’un binaire Al-Zn de type Al(riche)-Xwt.%Zn et l’autre ternaire Al-Cu-Zn de type Al(riche)-Xwt.%Cu-Xwt.%Zn élaborés par fusion à induction magnétique haute fréquence (HF).
Des caractéristiques physiques générales de l’aluminium et ses éléments d’alliages le cuivre et le zinc choisi dans notre étude sont donnés dans le tableau II-1.
Quelques échantillons d’alliages binaires Al(riche)-Zn et ternaires Al(riche)-Cu-Zn ont été choisis, de masse globale 5 grammes et de composition nominale, Al-0 à 50wt.%Zn et Al-0 à 25wt.%Cu-25wt.%Zn (Tab. II-2, II-3).
L’aluminium est pris comme matériau de base (solvant) et le zinc est le matériau d’addition (soluté) avec les proportions X = 0, 4, 16, 40 et 50 en zinc dans les alliages binaires Al-Xwt.%Zn, le cuivre et le zinc sont les matériaux d’addition avec les mêmes proportions X = 0, 2, 8, 20 et 25 en zinc et en cuivre dans les alliages ternaires Al-Xwt.%Cu-Xwt.%Zn.
L’aluminium pur, élaboré dans les mêmes conditions par fusion à induction magnétique (HF) où il est pris dans notre étude des propriétés de microstructure cristalline et de microdureté mécanique comme matériau standard pour les matériaux d’alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn.
Les proportions nominales en pourcentages atomiques des éléments d’addition, %at.XB, dans les alliages binaires A-B, déduites des pourcentages en masse, %wt.XB, par la relation 1 : %at.XB = %wt.XB×100 / {%wt.XB + ∑[(100-%wt.XB)×(AB / AA)]} (1) où AA et AB sont les masses atomiques des éléments A et B, respectivement.
La densité de l’alliage à l’état solide peut etre donnée par l’équation 2 ;
ρA-B (g×cm-3) = [ρA × (100 – %wt.XB) + ρB × (%wt.XB)] / 100 (2) où ρA and ρB sont les densités des éléments A et B, respectivement. :
Les compositions en pourcentages atomiques ainsi que les densités données dans le tableau II-2 pour les alliages binaires Al-Zn et le tableau II-3 pour les alliages ternaires Al-Cu-Zn sont des valeurs approximatives.

La pesée des poudres

Les matériaux de base utilisés dans l’élaboration Al-Zn et Al-Cu-Zn à étudier, sont des poudres très fines d’aluminium et de zinc et de cuivre de très grandes puretés (pureté de laboratoire de l’ordre de 99,99%).
Nous avons utilisé pour les pesées des poudres une balance électronique (milli balance, KERN EW/EG-N), de grande sensibilité (1 millième de gramme). Les poids de poudres sont choisis pour obtenir un mélange final de masse globale de 5 gramme d’un alliage binaire Al-Zn et ternaire Al-Cu-Zn de compositions nominales bien définies.

Compactage de poudres

Les cibles des alliages binaires Al-Zn et ternaires Al-Cu-Zn à utiliser pour l’élaboration ont été confectionnées par compactage sous forte pression mécanique à froid en forme de pastilles cylindriques. A cet effet, le mélange homogène de poudres (Al + Zn ou Al + Cu + Zn) est déversé dans une matrice cylindrique creuse en acier traité, pour subir une compression mécanique de l’ordre de 640 MPa, puis éjecté sous forme d’une pastille cylindrique de diamètre 16 mm et d’hauteur 4 mm (Fig. II-4).
Les pastilles ainsi obtenues ont une bonne résistance mécanique ce qui permet de les manipuler sans risque de s’effriter dans les différentes étapes d’élaboration par fusion à induction (HF).

Description de l’élaboration par fusion HF

L’élaboration des alliages binaires Al-Zn et ternaires Al-Cu-Zn est réalisée par le procédé à chauffage par induction électromagnétique à haute fréquence (HF). L’installation à induction HF peut être compacte et réaliser un chauffage rapide à des températures très élevées sans fumée grâce à la haute densité de puissance. Elle peut être utilisée dans un environnement sain dans des conditions de travail sans risques majeures.
Après le compactage des mélanges homogènes des poudres fines d’aluminum comme élément de base avec le cuivre et/ou le zinc comme éléments d’addition, les pastilles d’alliages binaires Al-Zn et ternaires Al-Cu-Zn obtenues vont subir une opération de fusion-solidification par générateur haute fréquence (HF) (High therm linn) (Fig. II-5) dans laboratoire de recherche LM2S (Laboratoire de Magnétisme et Spectroscopie des Solides) du département de physique.
La pastille d’alliage bien compactée est placée dans un creuset en alumine, bien propre pour éviter toute contamination métallique, de dimensions 16 mm de diamètre et 3cm de taille.
L’ensemble creuset-pastille est inséré au fond d’un tube en quartz vertical de diamètre intérieur 22 mm relié à une pompe à palettes de pression 10-3 torr par un tube en caoutchouc hermétique comme montré dans la figure II-6. Donc, une pureté extrême peut être obtenue en travaillant sous vide ou dans des atmosphères inertes.
Le tube en quartz est fixé verticalement de telle sorte que la partie basse, où de trouve le creuset contenant la pastille du matériau à fusionner, se trouve normalement à l’intérieur du flux des inductions électromagnétiques à l’intérieur des trois spires circulaires et colloïdales de l’inducteur HF.
Une régulation précise de la température de chauffage peut être obtenue grâce à la puissance d’induction générée par le courant électrique. L’induction qui peut être appliquée de façon très locale, permet d’obtenir des températures de chauffe très élevées.
Les spires à induction magnétique à haute fréquence (HF) sont refroidies par circulation d’eau à circuit fermé.

Etapes d’élaboration

Pour l’élaboration des alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn, le processus de fusion-solidification doit suivre un cycle d’opérations successives.
La figure II-7 montre les différentes étapes de l’opération d’élaboration fusion-solidification des alliages Al-Zn où les cycles thermiques successifs sont présentés
Les 4 cycles thermiques :
Une première étape de pompage continu à froid durant environ 2 minutes, étape de dégazage et chasse de l’air, permet de dégazer l’ensemble creuset-pastille et intérieur du tube de chauffage en quartz pour éviter le maximum possible l’oxydation à chaud des constituants du matériaux. Ce-ci permettra de fusionner et solidifier le matériau dans un vide primaire.
Une deuxième étape de chauffage graduel sous vide. Avec un pompage toujours continu, la température de chauffage par induction électromagnétique est augmentée graduellement en augmentant le courant électrique dissipé en chaleur par effet joule à l’intérieur des spires jusqu’à fusion totale de la pastille. La puissance de chauffe peut être augmentée en augmentant l’intensité du flux magnétique. La température devait atteindre une température juste un peu supérieure à la température de fusion de l’aluminium (660°C) qui est l’élément de base sans trop la dépasser pour éviter de l’évaporer. Cette température est estimée aux alentours de 850°C environ [5], Cette température est très utilisée dans les chauffages de traitements d’homogénéisation des alliages à base d’aluminium (Al(rich)-addition) tel que Al-Ti [4].
Une troisième étape très courte de fusion totale de la pastille à vue d’œil, 2 à 3 secondes. Le courant généré est coupé brusquement après fusion totale de la pastille de l’alliage, ce qui permettra de refroidir rapidement à température ambiante le matériau fusionné.
Une quatrième étape de refroidissement rapide de l’échantillon. Après fusion totale de la pastille, l’échantillon est refroidit rapidement à la température ambiante où il a pris une forme sphérique (Fig.II-8). Les pertes de masse mesurées des échantillons d’alliages massifs à base d’aluminium ainsi élaborés sont inférieures à 3% de la masse des pastilles.

Préparations des échantillons pour les caractérisations

Le traitement thermique

Toutefois, les traitements thermiques n’ont pas comme seul but d’agir sur le niveau de résistance mécanique, ils sont susceptibles d’influencer un grand nombre d’autres propriétés parfois très importantes pour les utilisateurs telles que l’aptitude à la transformation à chaud ou à froid, la résistance à la corrosion, à la fatigue, au fluage, l’aptitude à l’oxydation anodique, la conductivité électrique, la stabilité dimensionnelle, etc.
Dans le but d’améliorer les caractéristiques mécaniques des matériaux, soit l’homogénéisation des compositions et la stabilisation des microstructures des alliages, un traitement thermique a été appliqué à nos échantillons.
Les conditions du traitement thermique ont été choisies afin d’obtenir tout d’abord un bon compromis résistance mécanique/ductilité et puis stabilité des phases. Parmi les traitements thermiques, seul le traitement à 500°C pour un heure est susceptible de favoriser une assez bonne stabilité microstructurale pour des longues durées d’utilisation de ces matériaux à des températures inférieures à 500°C.
Nous avons utilisé un four pour le traitement thermique dans laboratoire de recherche LM2S, les échantillons ont subit des traitements sous vide à 500°C durant un heure, plus un refroidissement rapide à la température ambiante.

Procédures métallographiques

Description des méthodes métallographiques

Les échantillons d’alliages à base d’aluminium, binaires Al-Zn et ternaires Al-Cu-Zn, qui ont été élaborés sous vide par solidification rapide après fusion par induction électromagnétique HF doivent subir des opérations métallographiques de préparation, qu’ils soient à l’état brut ou après traitements thermiques [6,7]. Ces opérations métallographiques sont nécessaires pour les différentes méthodes de caractérisations microstructurales et mécaniques tels que ;
1- les analyses de microstructures cristallines par la technique de diffraction des rayons X (DRX),
2- les observations de texture de surfaces par microscopie optique.
3- les tests de microdureté par microindentation Vickers.
4- L’étude calorimétrique tel que la DSC
Les échantillons doivent subir un série d’opérations métallographiques minimum nécessaires tels que :
1- la découpe mécanique par microtronçonneuse électrique (disques de tronçonnage)
2- le polissage mécanique ou manuel des surfaces (disques diamantés ou papiers abrasifs)
3- les attaques chimiques par réactifs appropriés
4- des traitements thermiques d’homogénéisation (si besoin)
5- et l’enrobage à chaud ou à froid dans les résines II-4-2-2. Découpe des échantillons
L’opération de découpe des échantillons de matériaux métalliques est une très importante en vue des différents essais métallographiques.
Lors de l’étape de découpe, il est très important de veiller à ne pas modifier la structure du matériau à examiner. Pour cela on utilise le plus souvent dans nos opérations de découpe une micotronçonneuse électrique à disque diamanté. Les disques diamantés de découpe bien appropriés donnent une qualité de surface permettant de diminuer les durées des opérations de traitements ultérieurs.
Nous avons découpé, à l’état brut, les échantillons sphériques d’alliages à base d’aluminium deux demi-sphères identiques, une partie pour faire le traitement thermique et l’autre pour conserver comme échantillon à l’état brut.

Polissage mécanique

Les préparations en laboratoire des échantillons d’alliages pour les différentes caractérisations de surface nécessitent un polissage mécanique bien précis. Celui-ci a consisté en une série consécutive de polissage au papier abrasif de granulométrie de plus en plus fine (120 jusqu’à 4000) suivi à chaque fois d’un nettoyage de surface à l’eau (distillée) à la fin de chaque étape de polissage pour enlever les plus grosses particules qui pourraient griffer la surface.

Traitement chimique

Dans certains cas les échantillons peuvent être examinés sans attaque chimique. La micrographie révélée après polissage, certains constituants colorés naturellement et les différences de pouvoir réflecteur et d’orientation cristallographique permettent souvent un premier examen.
Les échantillons sont soigneusement débarrassés des dernières traces d’abrasif par lavage à l’eau, un séchage à l’air comprimé ou avec un chiffon doux, puis nous avons attaqué chimiquement les surfaces bien polies des échantillons d’alliages à base d’aluminium par le réactif dont la composition est la suivante:
Eau distillée 90 ml
Acide fluorhydrique (HF) 05 ml
Acide nitrique (HNO3) 05 ml
La durée de l’attaque varie entre 5 et 15 secondes pour notre type matériaux d’alliages à base d’aluminium.

Enrobage dans la résine

L’enrobage dans la résine de l’échantillon d’alliage à chaud ou à froid facilite les différentes manipulations pour une rapidité d’exécution et permet de limiter les effets de bords de surface utile pendant l’étape de polissage.
On a utilisé une résine qui polymérise très rapidement, résistante aux principales attaques chimiques.

Photos des alliages suivant les opérations de préparation

La figure II-9 montre les photos d’échantillons d’alliages à base d’aluminium.
Avant élaboration, (a) la pastille après le compactage du mélange homogène des poudres des éléments d’alliages.
Après élaboration, (b et c) échantillon HF à l’état brut où (c) après découpe, (d) échantillon enrobé à la résine après les différentes opérations métallographiques qu’il soit à l’état brut ou traité [2,7].

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Etude bibliographique
I-1. Introduction
I-2. Les matériaux métalliques
I.2.1 Description
I-2.2. Les matériaux ferreux et non ferreux
I-2.2.1. Les matériaux ferreux
I-2.2.2 Les matériaux non ferreux
I-2.3 Les principaux alliages métalliques
I-2.3.1. Alliages de fer
I-2.3.2. Alliages d’aluminium
I-2.4. Propriétés générales des matériaux métalliques
I-2.5. Utilisations et recyclage des matériaux métalliques
I-3. Traitements thermiques
I-3-1. Chauffage et refroidissement
I-3-2. Le refroidissement lent
I-4. La structure cristalline
I-4-1. Les 7 systèmes cristallins
I-4-2. Empilements compacts
I-5. Diagrammes de phases
I-5-1. Généralités
I-5-1-1. Définition de la phase
I-5-1-2. Règle des phases
I-5-1-3. Présentation géométrique du diagramme de phases
I-5-1-4. Refroidissement d’un matériau
I-5-1-5. Durcissement d’un matériau
I-5-1-5-1. Durcissement par écrouissage et par soluté
I-5-1-5-2. Durcissement structural par précipitation
I-5-2. Etude des diagrammes de phases
I-5-2-1. Description d’un diagramme de phases binaire
I-5-2-1-1. Diagramme à solution solide unique
I-5-2-1-2. Diagramme de phases binaire avec point triple
I-5-2-1-3. Diagramme de phases ternaire
I-6. L’aluminium et ses alliages
I-6-1. Caractéristiques générales
I-6-1-1. L’aluminium pur
I-6-1-2. Légèreté
I-6-1-3. Conductivité électrique et thermique
I-6-1-4. Tenue à la corrosion
I-6-1-5. Recyclage
I-6-2. Les alliages de l’aluminium
I-6-2-1. Diversité des alliages d’aluminium
I-6-2-2. Caractéristiques générales des alliages d’aluminium
I-6-2-3. Alliages Al-Cu
I-6-2-4. Alliages Al-Zn
I-6-2-5. Alliages Al-Cu-Zn
I-7. Conclusion
I-8. Références bibliographiques
Chapitre II: Elaboration par fusion HF
II-1. Introduction
II-2. Le chauffage par induction électromagnétique
II-2-1. Description du procédé de chauffage par induction
II-2-2. Principe de base
II-2-3. Utilisation du chauffage par induction
II-3 Elaboration des alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn par fusion HF
II-3-1. Généralités sur l’induction HF
II-3-1-1. Principe de base
II-3-1-2. Fonctionnement d’un générateur HF
II-3-2. Etapes d’élaboration des alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn par fusion HF
II-3-2-1. Préparation des cibles
II-3-2-1-1. Matériaux étudiés
II-3-2-1-2. La pesée des poudres
II-3-2-1-3. Compactage de poudres
II-3-3. Processus d’élaboration des alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn
II-3-3-1. Description de l’élaboration par fusion HF
II-3-3-2. Etapes d’élaboration
II-4. Préparations des échantillons pour les caractérisations
II-4-1. Le traitement thermique
II-4-2. Procédures métallographiques
II-4-2-1. Description des méthodes métallographiques
II-4-2-2. Découpe des échantillons
II-4-2-3. Polissage mécanique
II-4-2-4. Traitement chimique
II-4-2-5. Enrobage dans la résine
II-4-3. Photos des alliages suivant les opérations de préparation
II-5. Conclusion
II-6. Références bibliographiques
Chapitre III : Etude des paramètres microstructuraux caractéristiques des alliages de fusion HF Al-Zn et Al-Cu-Zn
III-1. Introduction
III-2. Les méthodes des rayons X
III-3. Diffraction des rayons X (DRX)
III-3-1. Utilisation de la DRX
III-3-2. Principe de la DRX
III-3-3. Lois relatives de la DRX
III-3-4. Cartes JCPDS
III-3-5. Indexation des diffractogrammes DRX
III-4. Etude des paramètres de microstructure
III-4-1. Généralités sur l’analyse DRX et l’observation optique
III-4-1-1. L’analyse DRX
III-4-1-2. L’observation optique
III-4-2. Montage expérimental
III-4-3. Microscope optique
III-4-4. Observations optiques et analyses DRX des alliages
III-4-4-1. Présentation de l’étude
III-4-4-2. Données cristallographiques et physiques générales
III-4-4-3. Paramètres microstructuraux des alliages binaires Al-Zn
III-4-4-3-1. Microstructure des alliages binaires Al-Zn
III-4-4-3-2. Variation du paramètre cristallin avec la teneur en zinc
III-4-4-3-3. Observations optiques des alliages Al-Zn
III-4-4-3-4. Etude de la solubilité dans les alliages binaires Al-Zn
III-4-4-3-4-1. Enoncé des lois de Hume-Rothry
III-4-4-3-4-2. Application des lois de Hume-Rothry
III-5. Investigations de microstructure des alliages ternaires Al-Cu-Zn
III-5-1. Identification des phases
III-5-2. Observations optiques des alliages Al-Cu-Zn
III-5-3. Détermination des paramètres microstructuraux
III-5-3-1. Etude de la phase tétragonale θ-CuAl2
III-5-3-1-1. Présentation de la phase θ-CuAl2
III-5-3-1-2. Mesures des paramètres cristallins de la Phase θ-CuAl2
III-5-3-2. Mesure des paramètres cristallins de l’aluminium
III-6. Conclusion
III-7. Références bibliographiques
Chapitre IV: Etude thermique des alliages ternaires Al-Cu-Zn
IV-1. Introduction
IV-2. Les transformations de phases dans les alliages Al-Cu
IV-2.1. Les zones de Guinier-Preston dans les alliages Al-Cu
IV-3. Analyse thermique des alliages (HF) Al-Cu-Zn
IV-3-1. Description générale de la DSC
IV-3-2. Procédure expérimentale
IV-3-3. Etude par DSC des alliages (HF) Al-Cu-Zn
IV-3-3-1. Thermogrammes DSC des alliages
IV-3-3-1-1. DSC de l’Alliage Al-25wt%Cu-25wt%Zn
IV-3-3-1-2. DSC de l’Alliage Al-20wt%Cu-20wt%Zn
IV-3-3-1-3. DSC de l’Alliage Al-8wt%Cu-8wt%Zn
IV-3-3-1-4. DSC de l’Alliage Al-2wt%Cu-2wt%Zn
IV-4. Analyse microstructurale par DRX après chauffage
IV-4-1. Recherche de transformation de phases
IV-4-1-1. Diagramme de phases
IV-4-1-2. Description des phases
IV-4-1-3. Reconnaissance des phases par DRX
IV-4-2. Microstructure après analyse thermique
IV-4.3. Observations optiques des alliages Al-Cu-Zn traité
IV-5. Conclusion
IV-6. Références bibliographiques
Chapitre V: Microdureté des alliages de fusion HF Al-Zn et Al-Cu-Zn
V-1. Introduction
V-2. Généralités sur les tests de microdureté
V-2-1. Principe de mesure de dureté
V-2-2. Dureté Vickers
V-3. Microdureté Vickers des alliages Al-Zn et Al-Cu-Zn
V-3-1. Description du dispositif expérimental
V-3-2. Mesures de microdureté des alliages (HF) Al-Zn
V-3-2. Mesures de microdureté des alliages Al-Cu-Zn
V-4. Conclusion
V-5. Références bibliographiques
Conclusion générale

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