L’affinage du grain des alliages d’aluminium

Affinage des alliages d'aluminium en fonderie - opération métallurgique.

Affinage des alliages d'aluminium en fonderie - opération métallurgique.

L’affinage du grain consiste à réduire la taille des grains. Dans le cas des alliages d’aluminium, l’affinage chimique (avec emploi d’agents d’affinage) est de loin le plus efficace en comparaison avec l’affinage naturel par la vitesse de solidification ou l’affinage par voie mécanique.

Le principe de l’affinage

L’affinage du grain au moyen d’agents d’affinage s’est développé depuis les années 1950. Il consiste à introduire des produits chimiques qui favorisent la germination de l’aluminium par deux mécanismes : la germination hétérogène et la restriction de croissance. L’agent d’affinage le plus utilisé est le titane-bore (Ti+B). Il est introduit soit sous forme de flux soit, et c’est le cas le plus fréquent, comme alliage-mère ou sous forme de fil. Généralement, la taille des particules d’affinage (TiB2) est comprise entre 2 et 10 μm. Au-delà, les particules ont un effet néfaste notamment sur la ductilité. Aujourd’hui, les fournisseurs proposent des alliages pré-affinés et les fondeurs n’ajoutent, si nécessaire, qu’une faible quantité d’agent d’affinage.

Efficacité de différents agents d affinage en fonction du temps et de la surchauffe
Efficacité de différents agents d affinage en fonction du temps et de la surchauffe.

L’agent d’affinage est introduit afin d’obtenir une teneur en Ti comprise entre 0,10% et 0,25% selon l’alliage. L’efficacité des agents d’affinage dépend de leur nature (flux, alliage-mère, fil, etc) et du ratio Ti/B. D’autres agents d’affinage ont été étudiés, tels que les Ti+C, Ti+N ou même le bullage d’un gaz inerte. Mais le Ti+B reste le plus efficace et le plus utilisé. Plus récemment, des agents d’affinage nanométriques ont été développés. Ces agents d’affinage permettent de réduire de moitié environ la quantité d’agents à utiliser.

AlSi7Mg sans affinage gauche - affinage AT5B classique centre - affinage nanométrique a droite.
AlSi7Mg sans affinage gauche – affinage AT5B classique centre – affinage nanométrique a droite.

Autres types d’affinage

Outre l’affinage “chimique”  avec du Ti+B, un affinage du grain est également observé lorsque la vitesse de refroidissement est augmentée, ou lorsque le métal en cours de solidification est soumis à des vibrations. Ces types d’affinage sont beaucoup moins efficaces que l’affinage chimique du grain.

L’affinage des hyper-eutectiques

Pour les alliages hyper-eutectiques (Si >12%), l’affinage du silicium primaire est obtenu avec du phosphore. Le germe est AlP. Le phosphore est introduit avec un alliage-mère AlCuP ou AlFeP.

Aspects pratiques de l’affinage

Affinage à partir de germes présents dans le bain d aluminium.
Affinage à partir de germes présents dans le bain d aluminium.

En ce qui concerne l’affinage du grain par addition de titane et de bore, quatre points importants sont à observer. Tout d’abord il y a un temps d’incubation (entre 20 et 60 min.) entre l’introduction de l’agent d’affinage et sa prise d’effet. Ensuite au-delà de 800-850°C, les germes sont détruits. Cependant, ils peuvent être réactivés par l’introduction de quelques ppm d’agent d’affinage. Il convient également d’avoir à l’esprit que les germes de TiB2 étant plus denses que l’aluminium liquide (et tendant à décanter), il est nécessaire de brasser le bain toutes les 15-20 min. Enfin, la décantation peut également se produire dans les parties massives des pièces moulées, particulièrement lorsque la vitesse de refroidissement est basse (moulage sable). Cette décantation se caractérise par des grains grossiers dans la partie supérieure des pièces, ce phénomène est appelé « anomalie du grain dans la zone corticale supérieure ».

Influence de l’affinage sur les propriétés mécaniques

Influence sur les propriétés mécaniques de l’alliage Al Si7Mg03S T6.
Influence de l’affinage du grain sur les propriétés mécaniques de l’alliage Al Si7Mg03S T6.

L’influence de l’affinage du grain sur les propriétés mécaniques a fait l’objet de nombreuses discussions et controverses mais il semble que l’affinage du grain n’a pas d’effet direct sur les propriétés mécaniques. La dégradation des propriétés mécaniques dont il est question parfois, est probablement due à l’influence de l’affinage du grain sur la porosité. En effet, dans les alliages affinés, les porosités sont plus fines et dispersées et donc nuisent moins aux propriétés mécaniques. L’affinage du grain réduit la dispersion des propriétés mécaniques des alliages présentant une forte tendance à la crique.

Influence de l’affinage du grain sur la dispersion des propriétés mécaniques de l alliage Al Zn5Mg.
Influence de l’affinage du grain sur la dispersion des propriétés mécaniques de l alliage Al Zn5Mg.

Influence sur les propriétés de fonderie

Comme cela a été dit précédemment, l’affinage du grain diminue la taille et la quantité des microporosités probablement en raison d’une meilleure alimentation des alliages affinés. L’affinage du grain influence également la coulabilité des alliages d’aluminium mais à la limite de la détection de l’essai. Selon certaines études, en dessous d’une teneur basse en titane (Ti < 0,10%), l’affinage du grain diminue la coulabilité du métal, et au-dessus de cette valeur, la coulabilité augmente avec la teneur en Ti. A une teneur classique en Ti (0,15-0,25%), la coulabilité est presque identique à celle d’alliages non affinés. La principale conséquence de l’affinage du grain est une diminution de la tendance à la crique. L’affinage du grain augmente considérablement la résistance à la crique des alliages d’aluminium.

Influence de l’affinage sur la fissuration des alliages Al-Cu - 0 aucune tendance au criquage 10 forte tendance au criquage.
Influence de l’affinage sur la fissuration des alliages Al-Cu – 0 aucune tendance au criquage 10 forte tendance au criquage.

Influence de l’affinage sur le contrôle radiographique

On a également montré que l’affinage du grain facilite l’interprétation des radiographies. Le phénomène dit de pommelage apparaît sous forme de tâches plus ou moins foncées sur les radiographies. Cela est dû à la diffraction des rayons X par les plans atomiques denses; plus les plans sont importants, plus la diffraction est importante et le pommelage également. Etant donné que l’affinage réduit la taille des grains, il réduit également la taille des plans atomiques et par conséquent le pommelage. Il faut noter que si la décantation des germes de TiB2 se produit dans la pièce moulée, on peut observer un pommelage.

Le contrôle de l’affinage du grain

Contrôle par analyse thermique AlSi10Mg non affiné et affiné.
Contrôle par analyse thermique AlSi10Mg non affiné et affiné.

La teneur en Ti, déterminée par analyse thermique, ne garantit pas l’efficacité de l’affinage du grain. Les germes de TiB2 peuvent être détruits par une surchauffe (T > 800° C) lorsque la teneur en titane reste dans une fourchette acceptable. Le contrôle le plus industriel est l’analyse thermique. Mais le contrôle le plus fiable est l’examen macrographique soit en utilisant des images de référence, soit en déterminant la taille des grains (segment intercepté moyen), soit en déterminant le nombre de grains par unité de surface.

L’affinage du grain, un moyen de traitement important des alliages d’aluminium

Même si l’affinage du grain n’influence pas directement les propriétés mécaniques, il demeure un moyen important pour traiter les alliages d’aluminium. En effet, il garantit des pores de petite taille, un contrôle radiographique plus facile, un meilleur comportement à l’alimentation des pièces et enfin une meilleure résistance à la crique.

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