METHODES DE CARACTERISATION

Afin de connaître la composition chimique de l’acier, la spectrométrie étincelle a été utilisée. Cette technique de caractérisation est une des plus courantes dans les fonderies. Elle nécessite de prélever un échantillon dans le bain liquide. Après solidification et refroidissement, cet échantillon sous forme de médaille est analysé. L’ensemble des mesures par spectrométrie étincelle ont été faites à la fonderie SAFE Metal de Feurs et utilise un appareil Thermofisher ARL4460. C’est un composant essentiel dans l’étude d’où la nécessité de réaliser des analyses complètes et toujours sur la même machine pour éviter les disparités. Les principaux éléments mesurés sont le carbone, le manganèse, le silicium, le soufre, le phosphore, le nickel, le chrome et l’aluminium. Les mesures sont faites avant et après désoxydation pour caractériser le bain liquide (cf paragraphe III-5), donc prise de deux médailles. De plus chaque lingot obtenu a fait également l’objet d’une analyse par spectrométrie étincelle. Le principe de la spectrométrie étincelle a été décrit par Meilland [61] [62]. Cette analyse permet de mesurer de manière plus précise certains éléments dans l’acier, notamment les inoculants qui sont ajoutés en très faible quantité. Il s’agit du cérium, lanthane, zirconium, calcium et baryum. L’analyse est réalisée par un appareil de couplage plasma induit à haute fréquence (ICP). Il est associé à un spectromètre à émission optique ou de masse. L’échantillon ionisé est ensuite analysé par un spectromètre soit à émission optique soit de masse. Dans le cas d’un spectromètre à émission optique, on utilise le fait que les électrons des atomes excités (ionisés), émettent un photon dont l’énergie est caractéristique de l’élément. La lumière émise par l’élément Pour la spectrométrie de masse, cette technique utilise le fait que des ions peuvent être séparés les uns des autres par applications de champs électromagnétiques, en fonction de leur masse atomique, de leur charge électrique et de leur vitesse. Les éléments sont déterminés selon leur masse. Pour plus de détails il est possible de se référer à l’étude menée par Bings et al.[63]

Notre laboratoire ne disposant pas de ce type d’analyse, elles ont été confiées à FerroPem partenaire du projet, laboratoire reconnu pour ses compétences dans ce domaine. Le spectromètre qu’ils utilisent détectent les éléments à partir de 5 ppm avec un intervalle de tolérance de plus ou moins 1 ppm. Les analyses ont été faites à SAFE Metal et le matériel utilisé est un EMGA620N de marque Horiba. Il permet de mesurer à la fois la teneur en oxygène et en azote. Dans cette étude, il est utilisé uniquement pour l’azote. L’azote est mesuré par la méthode de fusion sous gaz inerte. L’échantillon est placé dans un creuset en graphite et introduit dans un four à électrodes. L’échantillon est balayé avec un gaz inerte (argon) puis un fort courant passe au travers du creuset, ce qui crée une augmentation de température (au-dessus de 2500 °C). Tous les gaz produits dans le four, dont N2, se libèrent dans le flux de gaz inerte qui est dirigé vers un catharomètre qui mesure la quantité d’azote par conductivité thermique. Le calibrage est effectué en se servant d’étalons certifiés qui fournissent des courbes de référence. Le signal émis par le détecteur est analysé en fonction des courbes de calibration et du poids précis de l’échantillon. Les mesures d’azote sont comprises entre 0 et 5000 ppm. La précision est d’environ 1 à 1,5 ppm. Si la quantité d’azote est trop élevée il y a un risque de formation soit de porosités soit de nitrures, notamment de nitrures de titane (Figure IV-1) et donc de fragilisation l’acier. Il y a très peu voire pas de nitrure dans ce type d’acier, la mesure sert principalement à vérifier que les coulées se sont passées dans de bonnes conditions.

La mesure de l’activité en oxygène est possible grâce à une sonde celox® de marque Heraeus. Cette sonde est composée de deux parties de mesure : un thermocouple donnant la température du bain d’acier et une cellule électrochimique. La cellule électrochimique est composée d’un électrolyte à base de magnésie et de zircone et permet le transfert des ions oxygène entre l’acier et un matériau de référence donnant un signal électrique. Les mesures de la cellule électrochimique et du thermocouple sont associées pour donner l’activité en oxygène de l’acier liquide. La formule et les précisions sont fournies par le constructeur. Pour rappel, il y a deux désoxydations de l’acier dans cette étude. Les deux sont faites par ajout d’aluminium, la première en four et la deuxième en poche de coulée juste avant la coulée de l’acier. Les prises de mesure se font autour de ces désoxydations c’est-à-dire deux en four, avant et après désoxydation, et une après désoxydation en poche. Pratiquement, la dernière mesure se fait en lingotière. En effet, la mesure directement en poche n’est pas possible du fait du trop petit volume d’acier en poche. Il y a un risque que l’alliage se solidifie trop tôt. La prise de mesure en lingotière présente aussi l’avantage d’avoir la température de fin de coulée et la teneur en oxygène qui correspondent à celles en moule. Ces mesures permettent d’observer les effets des désoxydations qui sont présentées sur la Figure IV-3. Les résultats sont globalement homogènes quelles que soient les conditions de coulée. La diminution de la teneur en oxygène tout au long du processus montre l’efficacité de la désoxydation à l’aluminium.