Les différentes étapes du procédé COBAPRESSTM

L’alliage AS7G03

Composition

L’alliage étudié est un AS7G03 qui contient un taux de silicium légèrement supérieur à la norme. En effet, cet alliage contient 8% de silicium comme nous pouvons le voir dans le tableau II.1 alors que la norme correspond à un taux compris entre 6,5 et 7,5%. Ce taux de silicium plus élevé permet une meilleure coulabilité et donc d’obtenir des pièces de formes plus complexes. Il contient aussi du magnésium qui permet un durcissement structural en formant des précipités Mg2Si. Une attention particulière est portée sur la faible teneur en fer afin de limiter la formation d’intermétalliques fragiles qui diminuent la ductilité. Un affinant contenant du titane et du bore est aussi ajouté pour maitriser la taille de grains ainsi qu’un modifiant, le strontium, pour affiner les eutectiques. Le cuivre est présent en faible quantité pour éviter d’éventuels problèmes de corrosion.

Les différentes étapes du procédé COBAPRESSTM

Le matériau utilisé dans l’étude a été cobapressé, il a donc été coulé par gravité dans des coquilles en acier (coulée basculée). Les pièces sont ensuite enduites de graphite pour permettre une meilleure lubrification lors de l’étape de forge. Elles passent dans un four tunnel pour être chauffées puis sont frappées. Elles subissent enfin un traitement thermique T6 qui débute par une mise en solution assez longue pour globulariser les précipités de silicium dans les eutectiques. Cette forme permet de limiter le facteur d’intensité de contrainte aux bords de ces macroprécipités. Cette mise en solution est suivie d’une trempe à l’eau froide puis d’un revenu pour former les précipités de Mg2Si et obtenir de bonnes propriétés mécaniques. Un schéma résumant toutes ces étapes se trouve en introduction sur la figure I.1

Microstructure avant forge

Ce paragraphe présente la microstructure des pièces après coulée mais avant la forge. Les évolutions de microstructure durant cette étape sont présentées en détail dans le chapitre IV. Après coulée, le matériau a une taille de grains intermédiaire de l’ordre de 500 m comme nous pouvons le voir sur la figure II.1(a). La taille de grains a peu d’influence sur les propriétés mécaniques, elle doit cependant ne pas être trop grande pour éviter de couper l’alimentation en métal liquide lors de la solidification et limiter les retassures.

Le SDAS est quant à lui de l’ordre de 30 m. La solidification dans des coquilles en acier ainsi que des systèmes de refroidissement à eau permettent d’avoir des vitesses de solidification suffisantes pour avoir un SDAS assez faible qui augmente la ductilité ainsi que la résistance mécanique. Nous pouvons aussi voir sur la figure II.1(b), l’effet bénéfique de la modification au strontium qui permet d’obtenir des particules de silicium sphériques, disperses et de taille relativement faible. Aussi, très peu d’intermétalliques contenants du fer sont présents.

Essais de traction sur échantillons déformés à chaud en channel die

Afin d’étudier l’influence du niveau, de la vitesse et de la température de déformation, nous avons décidé de faire des essais de traction sur des éprouvettes usinées au sein d’échantillons préalablement déformés en compression plane encastrée. En effet, les essais de compression en channel die, proches du chemin de déformation dans la section d’une pièce cobapressée, sont les seuls qui permettent à la fois de maitriser les différents paramètres de la déformation cités plus haut et d’avoir un échantillon après essai de taille suffisante pour pouvoir y usiner une éprouvette de traction.

Schéma des éprouvettes de traction

Pour le design de l’éprouvette, nous avons imaginé une taille et une forme d’éprouvette qui permettait d’avoir un essai de traction satisfaisant, c’est-à-dire un état de traction simple dans la partie utile de l’éprouvette mais qui répondait aussi aux contraintes du channel die. La largeur des échantillons après essai est de 7 mm et ils ne doivent pas être trop long (<30 mm) pour limiter les efforts de frottement. Nous sommes finalement arrivés à la forme présentée figure II.2(a). L’éprouvette a ensuite été montée sur des pinces et un extensomètre a été placé sur la partie utile de l’éprouvette pour mesurer la déformation, comme on peut le voir sur la figure II.2(b)

Essai de compression plane encastrée (channel die)

Dispositif expérimental

Le schéma de principe du dispositif est indiqué figure II.3. Le cœur du montage est constitué d’un couloir de compression et d’un poinçon réalisés dans un acier inoxydable réfractaire. Des résistances chauffantes et des thermocouples sont logés à l’intérieur de ces pièces au voisinage immédiat de l’échantillon. Le contrôle de la température se fait par régulation PID. La caractéristique originale de ce système est la mobilité d’une des parois du couloir de compression. Durant l’essai, la paroi est fermée à l’aide d’un vérin hydraulique, ce dernier applique une force suffisante pour s’opposer aux contraintes engendrées par la déformation.

A la fin de l’essai, la paroi mobile se retire et l’échantillon se refroidit à l’air mais reste dans le montage pendant 10 minutes pour avoir une vitesse de refroidissement à l’air similaire aux pièces massives de production. Tout ce dispositif est installé sur une machine d’essai servo-hydraulique Schenk d’une capacité de 100 kN et pouvant atteindre des vitesses de déformation de 10 s-1 . Le déplacement du vérin est piloté par un ordinateur afin d’obtenir une vitesse de déformation constante. Le suivi de la consigne de déplacement est assuré tout au long de l’essai par une régulation avec demande adaptable (Montheillet F., Desrayaud C., 2009).

Eprouvettes de compression

Les éprouvettes de compression sont des parallélépipèdes qui mesurent 7 mm de large pour pouvoir entrer dans le canal. Elles ont toutes le même volume mais leur hauteur et longueur sont calculées en fonction du taux de déformation pour obtenir des échantillons après déformation qui ont une taille d’environ 4 x 7 x 28 mm afin de pouvoir usiner les éprouvettes de traction en leur sein.

Lubrification

Lors des essais de compression plane encastrée, la grande surface de contact entre l’éprouvette, le couloir et le poinçon entraîne un frottement élevé. Cela se traduit par une forte hétérogénéité de déformation entre la surface et le cœur de l’échantillon et à des efforts importants. Il est donc important d’utiliser une lubrification afin de minimiser ces effets. Nous avons utilisé comme lubrifiant du graphite ainsi que du Téflon sous forme de ruban (polytétrafluoroéthylène). L’éprouvette était enduite de graphite à l’aide d’un spray. Après un séchage d’environ 10 minutes, l’échantillon était recouvert de trois couches de Téflon successivement appliquées parallèlement aux directions d’allongement, transverse et normale. Afin de s’affranchir des inhomogénéités de déformation dues au frottement, la peau des échantillons était retirée après l’essai lors de l’usinage des éprouvettes de traction.