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Structure des alliages d’aluminium de fonderie
Cette structure comprend des solutions solides sous forme de dendrites (hypoeutectiques), des eutectiques plus ou moins complexes (binaires, ternaires) et des constituants intermetalliques. Dans le système Al-Si, les cristaux solides d’aluminium se forment sur les parois du moule (plus froides que le cœur) et croissent vers l’intérieur. Leur composition en Si est inferieure a` celle du liquide qui les entoure car la solubilité de Si dans Al décroit avec la température. Donc, le silicium est rejeté à la surface des cristaux en cours de croissance et abaisse la température de solidification du liquide à cet endroit par effet cryoscopique (dit surfusion). Ceci ralentit la solidification car plus de chaleur doit être évacuée pour solidifier le liquide de cette couche. 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 croit rapidement, ce qui explique que les cristaux d’aluminium se développent non pas sous forme de sphères ou d’aiguilles mais sous forme d’arborescences appelées dendrites dont les bras secondaires sont espacés de quelques dizaines de micromètres, cette distance est appelée espacement des bras de dendrite ; DAS en anglais (Dendrite Arm Spacing), ou SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing). Dans les culasses diesel, le SDAS varie classiquement de 20µm coté tablature à environ 100µm coté froid. La taille de grain dans les alliages d’aluminium de fonderie est généralement millimétrique et donc bien supérieure à la taille d’une dendrite.
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 à proximité et crée juste à coté 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 .
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.
Les impuretés et leur influence
Les impuretés contenues dans ces alliages sont importantes car elles modifient, volontairement ou non, les diverses propriétés du matériau. On trouve principalement comme impuretés : Le fer : c’est une impureté naturelle du silicium et de l’aluminium. Il fragilise la pièce produite par formation de composés intermétalliques durs et fragiles qui peuvent faciliter l’amorçage d’une fissure par décohésion lors d’une sollicitation mécanique. De plus, il gêne l’alimentation en métal liquide des pièces dans le moule par formation de plaquettes d’éléments intermétalliques et diminue l’étanchéité de la culasse. Pour avoir de bonnes propriétés mécaniques, sa teneur est limitée à moins de 0.14% dans les alliages de première fusion dits à haute pureté; le chrome et le manganèse ont sensiblement les mêmes effets;
le nickel améliore légèrement les propriétés à chaud mais coûte cher; le plomb au-delà de 0.05% il neutralise la modification au strontium et diminu les propriétés mécaniques de l’alliage sur un Al-Sn-Si-Cu pour palliers de bielle de moteur diesel);
L’étain abaisse les caractéristiques mécaniques, augmente la porosité, améliore très peu la coulabilité; le phosphore est un poison pour les alliages hypo-eutectiques car il constitue un site de germination du silicium, par contre, ce sera un élément affinant pour les alliages hyper eutectiques (hyper-silices) . En effet dans ces alliages, ce sont les plaquettes de Si qui germent en premier et il n’y a donc pas de dendrites d’aluminium; l’antimoine permet de piéger le phosphore mais n’est pas compatible avec le Strontium; le lithium très oxydable, regaze instantanément et considérablement l’alliage.
Les éléments que l’on ajoute volontairement pour leurs propriétés bénéfiques sont indiqués ci-dessous. le titane : c’est une impureté de l’aluminium, mais il permet d’affiner la dendrite de so-lution solide riche en aluminium: c’est un affinant. L’opération d’affinage consiste à ajouter dans l’alliage liquide des germes de cristallisation comme TiB2 en grand nombre afin d’augmenter le nombre de grains de l’alliage pour diminuer la taille de dendrite et augmenter les caractéristiques mécaniques ainsi que la durée de vie en fatigue. Au-delà de 0.4%, il se forme TiAl3 qui diminu l’usinabilité mais améliore encore l’affinage.
le sodium ou le strontium : modifient la structure de l’eutectique naturellement lamellaire en eutectique globulaire, ce qui permet de diminuer le risque de retassures, de faciliter l’usinage et d’augmenter les caractéristiques mécaniques . Cet effet est annulé par le Bore; le calcium: prolonge le temps de modification par le sodium;
le scandium: Industriellement, les alliages Al-Si sont les plus utilisés pour leurs propriétés de fonderie, leur aptitude au soudage, leur bonne stabilité dimensionnelle et leur faible température de fusion. Ils ont de plus une bonne résistance aux éraflures lors des périodes de faible lubrification du moteur (démarrage à froid par exemple).
Applications des alliages de fonderie
Dans la catégorie des alliages au silicium, selon la norme AFNOR NF A 02-004 (la lettre du métal de base et les lettres correspondants aux éléments d’addition sont rangées par ordre de teneur décroissante en %), nous pouvons citer :
les AS9U3G ou AS7U3G, destinés à une utilisation générale, traitables thermiquement et faciles à couler (culasses, blocs moteur, carters…); l’alliage étudié était un alliage de deuxième fusion appelé 319 (AS7U3G T5);
les AS5U3, semblables aux alliages précédents mais plus facile à obtenir en première fusion (culasses, maitres cylindres de frein);
les AS7G (aussi appelés A356) qui s’usinent moins aisément que les précédents mais présentent une excellente résistance à la corrosion, une grande tolérance au dommage et sont les plus utilisés (culasses, jantes) ;
les AS10G, qui ont des propriétés intermédiaires entre AS7G et AS13 (culasses, collecteurs, cache culbuterie, tube de pont, carters, anneaux de synchronisation de boite de vitesse…);
les AS10GU qui peuvent présenter un système durcissant secondaire Q1 plus complexe (culasse); les AS13 et AS12UNG dans lesquels la forte teneur en silicium conduit à une excellente coulabilité, une faible dilatation thermique et une bonne résistance à l’usure (pistons).
les AU8S qui présentent une excellente usinabilité et une bonne dureté à chaud sans traitement thermique avec cependant une résistance à la corrosion médiocre.
Traitements thermiques des alliages de fonderie
La composition de l’alliage seule n’est pas suffisante pour conférer au matériau les propriétés mécaniques requises pour les applications industrielles, c’est pourquoi on a recours à des traitements thermiques, qui, selon les cas, produisent un adoucissement ou un durcissement, ainsi que des changements de comportement vis-à-vis de la résistance à la corrosion, de la fatigue, du fluage, de l’allongement .
Trois types de traitements thermiques sont généralement pratiqués : l’homogénéisation ou mise en solution permettant de mettre en solution solide certains éléments d’alliage et d’obtenir une composition chimique uniforme, ceci à une température juste inférieure à celle de fusion de l’eutectique (sinon on crée des défauts appelés brûlures) ;
la trempe structurale (ou par précipitation) qui consiste à prendre un alliage en équilibre à une température donnée et à le refroidir le plus rapidement possible en évitant tout changement de phase. Un traitement de revenu suit généralement la trempe;
le détentionnement par revenu (ou stabilisation), ou l’on porte le métal à une température appropriée pendant un temps suffisant pour qu’un état d’équilibre puisse être atteint. En pratique, on laisse la culasse quelques heures entre 200 et 300°C. Le but est de produire une relaxation des contraintes internes résiduelles dues au choc thermique de la trempe et de permettre la formation de phases durcissantes par précipitation.
Cas particulier des Alliages Al-Si
Ces alliages portent le nom de ‘’silumines’’, lesquels s’apparentent quand à leur composition à un alliage eutectique, leur- coulabilité est très élevée et les moulages obtenus sont plus denses. Ils sont destinés à la coulée sous pression.
Sur le diagramme d’équilibre AI-Si , on peut constater que la solidification commence par une cristallisation des cristaux mixtes riches en aluminium α et se termine par la cristallisation de l’eutectique α + β (Si) et éventuellement, avec d’autres phases formées par d’autres éléments. La phase (Si) est présente en se déposant d’abord sous forme de gros cristaux aciculaires (en forme d’aiguilles), qui jouent le rôle d’entailles internes dans la solution solide α plastique, les propriétés mécaniques de cette structure sont faibles.
Plus près de l’alliage eutectique, se trouvent le plus souvent les cristaux primaires de silicium, c’est à dire, il y a accumulation (excès) de cristaux de silicium, qui ne sont pas fondus et lors de la recristallisation, ils agissent comme germes cristallins pour la cristallisation du silicium. Donc avec l’augmentation du chauffage du bain métallique ainsi que l’augmentation de la vitesse de refroidissement, on obtient une solidification normale de l’eutectique, c’est à dire une cristallisation couplé α + (Si) est atteinte. Une telle cristallisation est obtenue aussi par le traitement du bain métallique en ajoutant des inoculants tels que le sodium.Cette observation est faite en premier par A. Pacz en 1921 sur un alliage eutectique AISi (silumin) et elle est connue sous le nom de «effet silumin». Il s’agit de l’affinage de la structure et l’élimination des cristaux de silicium en excès. Les silumines sont inoculés au sodium (0,05 à 0.08) %, par addition au bain de sels de 67 % NaF et 33 % NaCl. Le traitement d’affinage du bain métallique, proprement, dit s’effectue de la manière suivante : De 730° à 750°C, on plonge une quantité (0,25 % du bain métallique) et le sel d’affinage dans le bain métallique, après sa fusion, on mélange et après dépôt du sel, on l’extrait du bain, ensuite à l’aide d’une cloche de plongée, on ajoute du sodium propre (0,03 à 0,06) %.Ce dernier s’évapore en agissant sur le bain métallique et à la fin, on refait le traitement du bain une dernière fois avec une quantité (0,75%) et après un temps très court, c’est à dire juste après son introduction, on procède à la coulée du métal. Ce traitement doit être effectué directement avant la coulée du métal car le sodium, peut brûler en quittant le bain et son effet sera diminué.
La quantité de sodium exigée pour la coulée en sable est importante par rapport à celle exigée dans la coulée en coquille, car la solidification rapide dans la coquille donne une cristallisation eutectique. En présence du sodium, les lignes du diagramme d’équilibre se déplacent et l’alliage hypereutectique devient hypoeutectique.
Cas particulier des alliages Al-Mg
Les alliages Al-Mg possèdent de faibles propriétés de fonderie du fait qu’ils ne contiennent pas d’eutectique. Leur propriété caractéristique est la bonne tenue à la corrosion et leurs propriétés mécaniques sont accrues avec une usinabilité élevée. L’addition à l’alliage AI-Mg (9,5 à 11,5 )% Mg et d’inoculants (Ti, Zr), améliorent les propriétés mécaniques, alors que le béryllium diminue l’oxydabilité de la fusion, ce qui permet de la conduire sans flux de protection. Le magnésium accroît fortement la résistance des alliages jusqu’à 12 ou 14 %, avec le Mg, la plasticité change peu mais ensuite elle se dégrade brusquement. Les alliages Al-Mg sont en plus additionnés de manganèse qui forme des particules dispersées Al6Mn, durcit l’alliage et affine le grain. Ces types d’alliages sont prévus pour les pièces travaillant dans une atmosphère humide, par exemple dans la construction navale et aéronautique. La structure de ces alliages, se compose de solution solide α et d’inclusions grossières de particules Al3Mg2 qui se déposent aux joints de grains en fragilisant l’alliage . C’est pourquoi, ces alliages s’emploient après trempe à 430°C avec refroidissement à l’huile (40 à50)°C et un séjour à la température de trempe pendant 12 à 20 h, ce qui assure la dissolution des particules Al3Mg2dans la solution solide α et l’obtention après trempe, d’une solution solide homogène. L’addition aux alliages Al-Mg jusqu’à1,5 % Si, améliore les propriétés de fonderie par suite de la formation d’un eutectique triple. Ces alliages s’emploient dans la construction navale et aéronautique.
Table des matières
INTRODUCTION
I. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. Les alliages d’aluminium de fonderie
I.1.1. L’Aluminium pur
I.1.2. Structure des alliages d’aluminium de fonderie
I.1.3. Les impuretés et leur influence
I.1.4. Applications des alliages de fonderie
I.1.5. Traitements thermiques des alliages de fonderie
I.1.6. Nomenclature& désignations
I.1.7. Cas particulier des Alliages Al-Si
I.1.8. Cas particulier des alliages Al-Mg
I.2. Corrosion d’aluminium et ses alliages
I.2.1. Réactions électrochimiques de la corrosion de l’aluminium
I.2.2. Potentiel de dissolution de l’aluminium et ses alliages
I.2.3. Diagramme potentiel – pH (Pourbaix)
I.2.4. Comportement électrochimique d’aluminium
I.2.5 .L’aluminium métal passif
I.2.5.1. Structure du film d’oxyde naturel
I.2.5.2. Influence des éléments d’alliage et addition
I.2.5.3. Variétés allotropiques
I.2.5.4. Passivation de l’aluminium et le PH
I.2.6. Type de corrosions électrochimique de l’aluminium
I.2.6.1. Corrosion généralisée ou uniforme
I.2.6.2. Corrosion localisée
I.2.6.3. Corrosions structurales
I.2.6.4. Corrosion galvanique
I.2.7. Prévention de la corrosion des alliages a base d’aluminium
I.2.8. Conclusion
II. METHODES EXPERIMENTALES
II.1. Elaboration des Alliages d’aluminium de fonderie
II.1.1 .L’alliage AlMg5Si (AC-51400)
II.1.2. L’alliage AlSi7Mg0,3 Industriel (AC-41200)
II.2. Microstructure
II.3. Essai de dureté
II.4.Techniques de caractérisation électrochimique
II. 4.1. Cellules électrochimiques
II.4.2. Les électrodes
II.4.3. Solution corrosive
II.4.4. Dispositif de mesure
II.4.5. Méthodes d’études
II. 4. 5.1. Evolution du potentiel libre en fonction de la durée d’immersion
II. 4.5.2. Tracés des courbes de polarisation intensité-potentiel
II. 4.5.3. Les droites de Tafel
II. 4.5.4. Mesure de l’évolution de la résistance de polarisation (Rp) au cours du temps
II.4.5.5 Voltamètrie cyclique
II. 4. 5.6. Mesures d’impédance électrochimique
III. RESULTATS ET DISCUSSION
III.1. Microstructure des alliages étudiés
III.2. Essai de dureté
III.3. Caractérisation électrochimique
III.3.2. Spectroscopie d’impédances électrochimiques
III.3.3. Voltamétrie cyclique
III.3.4. Influence des différents paramètres sur le comportement électrochimique des alliages
III.3.4.1. Influence du temps d’immersion
III.3.4.2. Influence de la vitesse de balayage
III.3.4.3. Influence de la température
IV.CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
