Contexte industriel : Aluminisation de tôles d acier en continu Durabilité des rouleaux de fond de cuve

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1 Séminaire SYMME du 29/11/2012 Développement d une nouvelle nuance de fonte destinée à un usage dans des conditions extrêmes & Réalisation et caractérisation de mousses d acier D. Balloy Maître de Conférences HDR à l Ecole Centrale de Lille Laboratoire de Mécanique de Lille (UMR CNRS 8107) 1 Développement d une nouvelle nuance de fonte destinée à un usage dans des conditions extrêmes Contexte industriel : Aluminisation de tôles d acier en continu Durabilité des rouleaux de fond de cuve Tôle d acier Rouleau de fond de cuve Bain d aluminium 2 1

2 Développement d une nouvelle nuance de fonte destinée à un usage dans des conditions extrêmes Partenaires : - Fonderie de la Scarpe (Arras) - CRIF (Gand - Belgique) - Oséo Anvar NPdC Objectif : Mettre au point une nuance de fonte à résistance améliorée à l aluminium liquide à 690 C D. Balloy, B. Haubreux, J.C. Tissier, 3 Stratégie : Limiter la diffusion de Fe dans le bain d Al et celle de Al dans la fonte 2 voies : Diminuer le potentiel chimique (ajout d Al dans la fonte) Ajouter des obstacles - Macroscopiques : Lamelles de graphite - Microscopiques : Eutectoïdes et eutectiques - Chimiques : Eléments d alliage 4 2

3 Propriété d usage : Résistance à la corrosion dans Al liquide Mesure : Perte de poids après dissolution des intermétalliques Protocole : Fixation Rondelle brute pour micrographie Rondelle usinée pour micrographie Rondelle brute pour pesée Rondelle usinée pour pesée Rondelles de graphite 5 Choix des nuances Matériau %C %Si %Mn %Cr %Al %P Acier Non Allié FGL Ferritique FGL Perlitique 0,37 0,25 0,84 0,043 0,03 0,02 3,50 4,50 0, ,71 1,76 0,68 1,14 1,93 0,37 6 3

4 Coulée des éprouvettes Élaboration au four à induction Coulée en moule sable 7 Résultats perte de masse (g/2000mm²) 3 2,5 Acier 2 1,5 1 0,5 FGL ferritique FGL perlitique temps (h) La FGL Perlitique se corrode le moins vite Pourquoi? 8 4

5 Effet des lamelles de graphite Fonte à matrice ferritique Acier ferrito perlitique 9 Effet de la matrice Acier C38 : matrice ferrito-perlitique non alliée Fontes : matrice ferritique fortement alliée matrice perlitique alliée + carbures et eut. phos. 10 5

6 Mécanisme de corrosion de l acier aluminium après 2h intermétalliques 690 C acier 100µm Revêtement : Intermétalliques classiques Fe 2 Al 5 et FeAl 3 (pas de FeAl 2 ) 11 Mécanisme de corrosion de l acier après 2h intermétalliques aluminium wt.% Fe Al Fe 2 Al 5 FeAl3 Liq. + FeAl3 acier 100µm µm Revêtement : Intermétalliques classiques Fe 2 Al 5 et FeAl 3 (pas de FeAl 2 ) 12 6

7 Mécanisme de corrosion de l acier C38 Forte diffusion dans la pièce d acier après 8h 1mm 50µm 13 Mécanisme de corrosion de l acier C38 après 8h wt.% Fe Al µm 50µm Localisation du carbone? Perlite globulaire Ferrite enrichie en Al Ferrite saturée en Al FeAl 2 Fe 2 Al

8 Mécanisme de corrosion de la fonte ferritique Matrice Fe 2 Al 5 wt.% Matrice α-fe sat. Si Fe 2 Al µm Al Fe Si - Effet barrière du graphite - Ferrite saturée en Si - Pas de diffusion de Al dans la matrice 15 Mécanisme de corrosion de la fonte perlitique Cémentite alliée au chrome : grande stabilité 16 8

9 Mécanisme de corrosion de la fonte perlitique 17 Mécanisme de corrosion de la fonte perlitique Intermétallique 53%Al, 46%: FeFe 2 Al 5 Matrice perlitique Gris ferrite Blanc cémentite (en moyenne : 1%Al, 1,7 Si, 0,7 Cr) Départ du carbone, du silicium? Carbure de Chrome Eutectique Phosphoreux Cémentite alliée au chrome : grande stabilité 18 9

10 Effet de l eutectique phosphoreux 19 En résumé Résistance à la corrosion Acier << Fonte ferritique < Fonte perlitique Explications des différences Acier : forte diffusion de Al dans la pièce Fontes GL : Effet barrière du graphite Communication à Matériaux 2006 Dijon Publication dans Metallurgical and Materials Transactions A en 2010 Matrice ferritique effet de Si : diffusion Fe Al Matrice perlitique : perlite stable, liseré, Cr+P Perspectives Développement de solution (matériaux /revêtements) pour usages dans conditions extrêmes 20 10

11 Elaboration et caractérisation de mousses d acier Contexte industriel : Fabrication de mousses métalliques dans des conditions accessibles à la plupart des fonderies françaises Partenaire : CTIF Thèse CIFRE J. Dairon Objectif : Elaborer et caractériser des mousses en acier D. Balloy, G. Degallaix, J. Dairon, B. Haubreux, J.C. Tissier, 21 Propriété d usage : Résistance structurale Flexion F δ Rigidité du système IP1 = Pas de déf. plastique IP2 = 1/3 E ρ R e ρ Absorption d énergie σ app F σ Max σ IP2 = Max σ ρ e W e app - L Energie Energie spécifique IP 3 = W IP4 = W ρ 22 11

12 Voies de mise en forme du métal liquide - Introduction directe de gaz - Dégagement gazeux dans le métal - Infiltration d un réseau poreux 23 Aspect théorique : La mousse parfaite La structure de Kelvin : Le tétrakaïdécaèdre Arêtes légèrement courbes 109,47 109,47 (a) Faces carrées planes (b) Faces hexagonales courbes (c) 24 12

13 Mise en forme : réalisation de noyaux Cellule de Kelvin Chanfrein pour définir un réseau à remplir de métal Assemblage des noyaux en plaques Empilement de plaque pour créer un volume 25 Mise en forme : Remplissage du moule (Acier inox 304) Objectif : Réaliser des blocs de 100 x 100 x 100 mm 3 10 mm Coulée avec aspiration par le vide Résultat 26 13

14 Caractérisation mécanique : Essai de compression Rotule (bloquée lors de nos essais) Capteur LVDT σ comp. Plateaux E Echantillon de mousse Objectif : Calculer les Indices de Performance 27 Caractérisation mécanique : Résultats en flexion IP1 IP2 - Même ordre de grandeur que l aluminium - Mais en bas du tableau 28 14

15 Caractérisation mécanique : Résultats en absorption d énergie IP3 IP4 Cymat (0,56) Cymat (0,35) * Mousse d acier Duocel (0,205) Alporas (0,25) Mousse d acier Duocel (0,220) Alulight (0,500) Alporas (0,2) Cymat (0,35) * σ plateau (e = 25%) σ plateau (e = 25%) * Données provenant d auteurs différents Résultats excellents en termes d absorption d énergie spécifique 29 Conclusion - Mise au point d une technique de mise en forme - Respect du cahier des charges industriel - Bonnes propriétés spécifiques des mousses fabriquées Perspectives - Simuler le remplissage du moule, optimiser (ANR Foam) - Simuler le comportement mécanique, thermique - Diminuer la taille des cellules - Ajouter des fonctions 1 brevet 3 Publications dans Revue Rang B 2 congrès internationaux 30 15

16 Merci de votre attention! 31 Séminaire SYMME du 29/11/2012 Développement d une nouvelle nuance de fonte destinée à un suage dans des conditions extrêmes & Réalisation et caractérisation de mousses d acier D. Balloy Maître de Conférences HDR à l Ecole Centrale de Lille Laboratoire de Mécanique de Lille (UMR CNRS 8107) 32 16