Mise en forme à l état liquide ou semi-liquide

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1 Mise en forme à l état liquide ou semi-liquide Par : Jules Kouam HDR (Habilitation à Diriger des Recherches) - Doctorat Contenu Concepts fondamentaux utiles en fonderie Phase; équilibre des phases Solubilité Diagrammes d équilibre: Interprétation & Formation des microstructures. Germination et croissance Applications à la fonderie Coulabilité et effets des éléments d alliages Défauts en fonderie Structure et Propriétés des pièces coulées Quelques exemples Système Fe-C Système Fe-Ni Système Al-Si Zinc Magnesium 2 1

2 Concepts fondamentaux: Solidification Adapté de: Physique de l état solide, Charles Kittel 3 Concepts fondamentaux: Solidification et microstructure Adapté de: Physique de l état solide, Charles Kittel 4 2

3 Température ( C) Concepts fondamentaux Construction d un diagramme de phases avec un point eutectique Source : P. Millet, Société Francophone des Biomatériaux Solubilité du sucre dans l eau Concentration en eau (% masse) 80 1 phase Solution liquide sirop : eau + sucre Limite de solubilité 20 Concentration en sucre (% masse) eau sirop sirop sirop sirop sirop 0 2 phases Solution liquide (sirop ) + sucre solide sucre 6 3

4 Adapté de: Physique de l état solide, Charles Kittel 7 Influence de la vitesse de refroidissement V caractérisant la vitesse de refroidissement ici V1 > V2 > V3 Source : Jean Barrais et Gerard Maeder, précis de métallurgie,

5 Formation dendritiques : cas des alliages de fonderie DAS : espacement interdendritique Source : Gilles Dour, Aide-memoire Fonderie, Influence de la porosite sur la contrainte d endurance Source : Gilles Dour, Aide-memoire Fonderie,

6 Aciers et fontes 90 % en masse de la production mondiale des alliages métalliques. Atouts Les composés contenant du fer existent en grande quantité sur la croute terrestre. La fabrication des alliages ferreux est peu coûteuse. Grande souplesse de mise en forme. Inconvénients: Très succeptible à la corrosion Lourds: Aciers: 7.86 g/cm 3 ; Inox : 7.6 à 8 g/cm 3»Fontes: 7.1 à 7.3 g/cm 3 11 Diagramme de transformation du fer Adapté de: Physique de l état solide, Charles Kittel 12 6

7 Diagramme de transformation du fer : Germination Adapté de: Physique de l état solide, Charles Kittel 13 Source : ASM HandBook 14 7

8 Source : P. Millet, Société Francophone des Biomatériaux 15 Diagramme Fe-C Source : Jean Barrais et Gerard Maeder, précis de métallurgie,

9 Adapté de: Physique de l état solide, Charles Kittel 17 Peritectique : 2 phase s( (L, S) -- 1 phase solide Eutectoide : 1 phase -- 2 phase solides Adapté de: Physique de l état solide, Charles Kittel 18 9

10 Aciers Fontes Adapté de: Des matériaux et de Rainville 19 La microstructure obtenue dépend fortement de la vitesse de refroidissement. A faible vitesse, le carbone et le fer peuvent diffuser librement (germination-croissance). A plus grande vitesse, seul le carbone peut diffuser. Source : Jean Barrais et Gerard Maeder, précis de métallurgie,

11 Source : ASM HandBook 21 Source : ASM HandBook 22 11

12 Ceq (carbone équivalent) Classification des aciers Faiblement alliés Aciers % C < 2.14 < 0.25% 0.25% <C< 0.6% Fortement alliés C > 0.6% Faible teneur de carbone Moyenne teneur de carbone Forte teneur de carbone à outils inoxydables Ordinaires faiblement alliés haute résistance Cu, Ni V Mo % < 10%m Ordinaires à traitement thermique ordinaires à outils Ceq % C Mn ( Cr M V) ( Ni Cu) C Mn Cr Mo V Ni Cu autre Ceq s AISI Si 0.65 AISI AISI 2512(0.4) AISI Si 0.74 AISI Si 0.90 AISI Si 0.95 AISI Si 1.38 C eq Mn Cr Mo V Ni Cu C Ceq Trempabilité Soudabilité AISI 2512 AISI 1050 AISI 4140 AISI 2512(0.4) AISI 4340 AISI 8660 AISI Matériau 12

13 Ceq (carbone équivalent) aciers à outils C Mn Cr Mo V Ni Cu autres Ceq O S Si 0.76 A M W 3.1 H P O2 (acier trempant à l huile) (0.90C, 1.6Mn) Utilisés pour les outils de coupe, poinçons, matrice pour travail à froid 3.0 Ceq Trempabilité Soudabilité S5 (aciers résistants aux chocs) (0.55C, 0.8 Mn, 0.4 Mo, 2.5Si) Utilisés pour les lames de cisailles, outils pneumatiques, poinçons. 2.5 A2 (aciers trempant à l air) (1C, 5Cr, 1Mo) Utilisés pour des filières d étirage, petits cylindres de laminoirs, laminoirs à vis 2.0 M2 (aciers à coupe rapide au Mo) (0.90C, 4Cr, 2V, 6W, 5Mo) Utilisés pour des outils de coupe rapide dont la résistance à l usure est très élevée H10 (aciers pour travail à chaud) (0.40C, 3.25Cr, 0.4V, 2.5Mo) Utilisés pour des filières d extrusion (Al et Mg), coquilles de coulées, matrices de forgeage et d estampage 0.5 P2 (aciers pour moules à plastiques) (0.07C, 2Cr, 0.20Mo, 0.5Ni) Utilisés pour des moules d injection pour matières plastiques. 0.0 P2 S5 O2 H10 A2 M2 Acier à outils 25 Caractéristiques d utilisation des aciers à outils Dureté Trempabilité Tenue à chaud Résistance mécanique Résistance au fluage Résistance à l oxydation Ténacité Résistance à l usure Résistance aux chocs thermiques 26 13

14 27 Effets des éléments a-gènes et -gènes sur les domaines a et Effet de Mn ou Ni ( -gène) Effet des a-gènes Austénite 28 14

15 Ex d effet du Cr: Alphagène Pour 0% de C Disparition du domaine Si %Cr > 12.8% Disparition complète de pour %Cr > 20% Augmentation de la température des transformations 29 Principe de la coulée continue La figure 1 représente les trois principales parties de l installation de coulée : le creuset avec la filière en graphite fixée par bride, interchangeable et refroidie à l eau ; le moteur et le dispositif d extraction à commande électronique ; le dispositif de tronçonnage et de casse des jets. La filière est l élément le plus important ; elle a une influence directe sur l état de surface, la forme des jets, la microstructure en fonction de la vitesse de refroidissement et sur la maîtrise de la qualité. Elle est constituée d une forme en graphite emmanchée dans une coquille refroidie à l eau. Source : KLAUS HERFURTH, SOLINGEN (ALLEMAGNE) dans le journal les fonderies d aujourd hui, numéro 235, mars

16 Source : KLAUS HERFURTH, SOLINGEN (ALLEMAGNE) dans le journal les fonderies d aujourd hui, numéro 235, mars Source : Valerie Leberthon, Thèse de doctorat, ETUDE METALLURGIQUE ET OPTIMISATION DE LA FABRICATION D ALLIAGES A BASE DE CUIVRE COULES EN CONTINU, Écoles des mines de Paris, juin

17 Diagramme Fe-Ni Ni tout comme le carbone favorise le domaine et améliore la résistance à la corrosion dans les milieux acqueux peu oxydants. L alliage Fe-Ni à 36% Ni présente un très faible coefficient de dilatation thermique (30% inférieur au platine) : ce qui a permis de lui donner le nom d INVAR. Source : KHRISHNAN et al. in "Thermal expansion of crystals" (Pergamon Press, London, 1979). 33 Au delà de 27%Ni, la structure est cfc à la température ambiante (diagramme métastable, R). En dessous de 27%Ni, la structure est cc (aciers au Ni) Source : KHRISHNAN et al. in "Thermal expansion of crystals" (Pergamon Press, London, 1979)

18 Métaux cuivre 17 x 10-6 fer 12 x 10-6 mercure 180 x 10-6 or 14 x 10-6 platine 9 x 10-6 plomb 27 x 10-6 zinc 29 x 10-6 Alliages laiton 65%Cu, 35% Zn 19 x 10-6 bronze 84% Cu, Pb, Zn, 16,8 x 10x -6 Sn invar 64% Fe, 36% Ni 1,2 x 10-6 Coefficient de dilatation thermique en fonction du pourcentage de Ni Source : KHRISHNAN et al. in "Thermal expansion of crystals" (Pergamon Press, London, 1979). 35 Example d utilisation de l INVAR : Tube de télévision 36 18

19 l aluminium & ses alliages Légers ( 2.7 g/cm 3 contre 7.9 g/cm 3 aciers et est c.f.c.) Bonne résistance à la corrosion: Formation d une couche de Al 2 O 3 (épaisseur < 0.1 mm) Conductibilité électrique de Al pur: 62% celle du cuivre. Propriétés mécaniques: faibles. Améliorées par: Écrouissage:1000 (Al pur) 3000 (Al-Mn) 5000 (Al-Mg) Durcissement structural: 2000 (Al-Cu et Al-Cu-Mg); 6000 (Al-Mg-si), 7000 (Al-Zn-Mg et Al-Mg-Cu) Mise en forme: Tf basse (660 C) ---> fonderie Très ductile --> bonne mise en forme par déformation plastique 37 Alliages d aluminium Série Éléments d addition principal Exemples 1000 Aluminium pur (99%) 1060/ 1100/ Cuivre 2014/ 2024/ Manganèse 3003/ 3004 / Silicium 4032/ Magnésium 5005/ 5052/ Magnésium + silicium 6013/ 6061/ Zinc 7050/ 7075/ Autres éléments

20 Principaux éléments d alliages de l aluminium Éléments Effets Cuivre Augmente la résistance mécanique Manganèse Augmente la résistance mécanique et modifie la granulométrie Magnésium et silicium augmentent la résistance à la corrosion atmosphérique Zinc Augmente résistance mécanique 39 Alliages d aluminium de corroyage Alliages sans durcissement structural: tendance à se ramollir (A% élevée, Rm et dureté baissent) en vieillissant Aluminium pur: 1000 Al-Mn: 3000 Al-Mg: 5000 (généralement moins de 4% de Mg) Alliages à durcissement structural: tendance à durcir en vieillissant Al-Cu et Al-Cu-Mg: 2000 Al-Mg-Si : 6000 Al-Zn-Mg et Al-Zn-Mg-Cu:

21 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al Balance Balance 6061-T6 (90 HB) 7075-T6 (169 HB)

22 feed rate : f(mm/rev) limit zone for 6061-T6 material limit zone for 7075-T6 material discontinuous chips's zone continuous chips's zone cutting speed (m/min) 43 Alliages d aluminium de fonderie 44 22

23 Alliages de fonderie Pièces de pompe d aéronef Carters de boite de vitesse d automobile 45 Blocs-cylindres d auto Alliages de fonderie Propriétés recherchées Coulabilité (aptitude à remplir la cavité) Absence de fissures lors du retrait. Bonne répartition de la porosité Éléments d alliages en forte teneur Grande proportion de l eutectique Abaissement du point de fusion 46 23

24 Alliages de fonderie Al-Si (s 400); Al-Si-Mg et Al-Si-Cu (s.300) % Si de l ordre de 5 à 20% bonne coulabilité et bonne résistance à la corrosion + Mg : améliore la sensibilité aux traitements thermiques Al-Si-Cu ( 12.7 Si) : a faible: (pistons ou culasses des moteurs à combustions) Lamelaire Al-Al 2 Cu Aciculaire Al-Si T f basse Globulaire Al-Si + Na

25 Si Fe Cu Mn Mg Ni Zn Ti Al A Balance A Balance A319-T0 (74 HB) A356-T0 (61 HB) Source : J. Kouam et al., Journal of Machining Science and Technology, A319-T0 (74 HB) A356-T0 (61 HB) A319-T6 (111 HB) Source : J. Kouam et al., Journal of Machining Science and Technology, 2013 A356-T6 (94 HB) 50 25

26 Feed rate (mm/rev) Limit zone for A356-T6 Limit zone for A319-T6 Limit zone for A356-T0 Limit zone for A319-T Discontinuous chip zone Continuous chip zone Cutting speed (m/min) Source : J. Kouam et al., Journal of Machining Science and Technology, Comparaison avec les autres matériaux Limite élastique : Alliages d aluminium 28 à 476 MPa ; Aciers d usage général 185 à 380 MPa Allongement à la rupture: Alliages d aluminium 1 à 39% ; Aciers d usage général 20 à 35% Module d élasticité : Aluminium MPa ; Aciers MPa Résistance en traction Résistance en fatigue : Aluminium seuil à 500 M cycles; Aciers vie infinie en dessous d un seuil Dureté : Aluminium 20 à 80 HRB ; Aciers d usage général 35 à 70 HRB Densité (gramme/cm3): Aluminium ~2.7 ; Acier ~7.8 ; Cuivre ~8.9 Résistivité (Ω m) : Argent ; Cuivre ; Or ; Aluminium ; Fer La conductivité (inverse de la résistivité) de l aluminium est d environ 2/3 de celle du cuivre

27 Le zinc et ses alliages Tfusion faible : 420 C ( Zn non allié) 380 C ( alliages de fonderie: Zn-Al-Mg, Zn-Al-Cu-Mg) Bonne coulabilité (Fonderie de pièces minces, précision) Propriétés mécaniques médiocres Zn sert surtout à la galvanisation et à la métallisation 53 Alliages de Zinc Diagramme Zn-Al Source : Jean Barrais et Gerard Maeder, précis de métallurgie,

28 Alliages de magnésium: Mg Magnésium Mg Masse volumique: 1.7 g/cm 3 (plus léger que Al: 2.7 g/cm 3 ) 2 X plus cher que l aluminium 55 Alliages de Magnesium Diagramme Al-Mg Source : Jean Barrais et Gerard Maeder, précis de métallurgie,

29 Alliages de Mg Plus léger (1.7 g/cm 3 ) que l aluminium (2.7 g/cm 3 ) Bonne usinabilité (forces et puissance de coupe faibles) Sensibles au durcissement structural si on ajoute des éléments (Al, Zn, Zr, Mn, Ag). Corrosion Très mauvaise tenue en Corrosion marine Résistent relativement bien à la corrosion atmosphérique Risque d incendie lors de sa mise en forme Caractéristiques et rigidités spécifiques d aluminium et de magnésium (Bailon, 2000; ASM, vol.16, 1999) Matériau Masse volumique (t/m 3 ) Module d Young (Gpa) Rigidité spécifique Température de fusion f ( C) Coefficient de dilatation linéique a (10-6. C -1 ) Aluminium Magnésium