Les inclusions et oxydes dans l’aluminium

Oxydes dans un bain d'alliage d'aluminium.

Oxydes dans un bain d'alliage d'aluminium.

Les inclusions et les oxydes dégradent les propriétés mécaniques des pièces en aluminium. Il existe plusieurs types d’inclusions et d’oxydes qui sont plus ou moins néfastes. Ces inclusions peuvent être appréhendées par différents moyens de mesure (QUALIFLASH, …) et éliminées des bains.

Les inclusions endogènes et exogènes

Les inclusions dans le métal ont une double origine : endogène et exogène. Tout d’abord endogène, c’est-à-dire due au métal lui-même ou à sa composition (comme la teneur en fer) ou à sa réaction avec l’environnement (comme une oxydation). Mais également des inclusions exogènes, c’est-à-dire dues à l’environnement du métal (par exemple les réfractaires du four, le sable de moulage, les flux, …).

Les inclusions endogènes

Ces types d’inclusion endogènes se forment souvent lorsque le métal est liquide et peuvent être de plusieurs types. On distingue ainsi des composés grossiers TiAl3 ou TiAlSi, des composés Mg2Sb3  et enfin des composés intermétalliques base fer (bien que ces composés puissent également apparaître au cours de la solidification) ou encore des oxydes.

Les composés intermétalliques au fer

Influence de la teneur en fer et la vitesse de refroidissement sur les intermétalliques.
Influence de la teneur en fer et la vitesse de refroidissement sur les intermétalliques.

On a montré que les composés intermétalliques au fer dépendent des teneurs en fer, en manganèse et au chrome, de la température de maintien et enfin de la vitesse de refroidissement. Les fondeurs utilisent souvent le paramètre % Fe + % Mn pour évaluer le risque de formation de composés intermétalliques compacts à base de fer. Ce paramètre n’est pas le meilleur, par rapport au facteur de ségrégation proposé par Gobrecht Is=Fe+2*Mn+3*Cr qui est beaucoup plus pertinent. Il est important de noter que la température de refusion des composés intermétalliques compacts est 100° C au-dessus de la température de ségrégation. Lorsque de telles inclusions se forment, il est très difficile de les éliminer. La meilleure méthode est de transférer le métal dans le four de fusion. C’est la raison pour laquelle les fondeurs ne doivent pas négliger la composition de leurs lingots et la température de maintien en fonction de cette composition.

influence du facteur de ségrégation sur la formation des composes intermétalliques.
Influence du facteur de ségrégation sur la formation des composes intermétalliques.

Les composés intermétalliques compacts au fer se forment généralement dans les pièces coulées sous pression où le taux d’impuretés des lingots est élevé. Mais comme la vitesse de solidification est très importante, les intermétalliques compacts apparaissent rarement et sont très fins, à moins qu’ils ne se forment dans le four de maintien. La teneur élevée en fer dans les alliages de coulée sous pression est due à son effet bénéfique pour réduire le collage de l’aluminium sur le moule en acier. Pour les pièces coulées en moule sable et en coquille, le taux d’impuretés est nettement inférieur (en particulier pour les alliages de grande qualité). La formation de larges composés intermétalliques base fer résulte généralement de la pollution du bain (par les outillages en acier par exemple).

Les oxydes

Les oxydes peuvent se former dans le four de fusion, dans le four de maintien ou au cours du remplissage. Ces différentes origines conduisent à différentes formes d’oxydes. Il y a tout d’abord des agrégats plus ou moins importants, généralement formés dans les fours de fusion. Ensuite, on constate des points ou des amas de films, généralement formés dans les fours de maintien. Enfin, des films dispersés de petite taille, généralement formés au cours du remplissage. Les deux premiers types peuvent être limités (température de fusion basse) ou éliminés (flux de désoxydation, filtration, …). Le troisième type est difficile à éliminer. La meilleure méthode est de recourir à la coulée basse pression ou la coulée par basculement. Même dans ce cas, il est très important de concevoir correctement le système d’alimentation afin de réduire la vitesse du métal. La formation d’oxydes est fortement favorisée par la teneur en zinc.

Inclusions exogènes

Les principales sources des inclusions exogènes sont les réfractaires, les flux et enfin le sable (des moules ou des noyaux).

Les réfractaires

Généralement les réfractaires contiennent de la silice qui peut réagir avec l’aluminium par la réaction 4Al + 3SiO2 → 2Al2O3 + 3Si. Cette réaction induit un changement volumique du réfractaire et donc des fissures qui introduisent des inclusions dans le bain. Ces inclusions se forment souvent en fin de vie des réfractaires (aujourd’hui de 3 à 5 ans). Elles peuvent être éliminées facilement par filtration.

Les flux

Les flux (de modification, de désoxydation, …) peuvent conduire à des inclusions de différentes façons. Les flux sont composés d’halogénures. Ces produits sont très hydrophiles. S’ils absorbent de l’eau, ils forment des agrégats qui ne sont pas dissous par le bain. En particulier si la quantité de flux introduite est trop importante, si la température du bain n’est pas adaptée ou encore si le bain n’est pas correctement mélangé. Selon leur taille, les inclusions sont ou ne sont pas éliminées par filtration.

Les inclusions de sable

Des inclusions de sable peuvent se former dans les pièces de fonderie, elles proviennent des moules ou des noyaux. Elles apparaissent lorsque le sable n’est pas correctement préparé (nature du liant, taux de liant…) mais également si le moule (noyau) est dégradé thermiquement par l’aluminium au cours du remplissage. Enfin, la conception des attaques ou de la pièce favorisent l’érosion du sable par le métal au cours du remplissage (généralement c’est la principale cause dans les alliages d’aluminium).

Influence des inclusions sur les propriétés mécaniques

Influence des inclusions et oxydes sur l’indice de qualité.
Influence des inclusions et oxydes sur l’indice de qualité.

Devaux & alii montrent clairement l’influence des inclusions sur les propriétés mécaniques de l’alliage Al Si7Mg. On voit ainsi que les inclusions diminuent la valeur moyenne des caractéristiques mécaniques mais avant tout qu’elles augmentent la dispersion. Parmi les inclusions, l’influence des oxydes sur les propriétés de traction et de fatigue a été clarifiée.

Influence du traitement sur indice de qualité alliages aluminium.
Influence du traitement sur indice de qualité alliages aluminium.

Le contrôle des oxydes et inclusions

De nombreux appareils ont été développés dans le but d’évaluer la propreté des bains et mesurer la quantité d’inclusions et oxydes. Les principales méthodes sont le LiMCA, le PoDFA, le LAIS, le Prefil-Footprinter, le QUALIFLASH ou le K-Mold. Le LiMCA (Liquid Metal Cleanliness Analyzer) est basé sur la méthode de mesure de la résistivité électrique. Il s’agit d’un appareil de mesure directe, très précis (20-300 microns) mais qui ne convient pas aux contrôles dans les ateliers de fonderie, et de plus, il détecte également les bulles de gaz. Il est principalement utilisé par les producteurs d’aluminium primaire. Le PoDFA (Porous Disc Filtration Analysis) est une technique indirecte basée sur la filtration forcée d’un volume fixe de métal. La propreté du bain est évaluée par une étude métallographique de la surface du filtre. Cette méthode est précise mais longue et ne convient pas aux contrôles dans les ateliers de fonderie. Il convient aux contrôles en laboratoire. Le LAIS (Liquid Aluminum Inclusion Sampler) est une méthode proche de la méthode PoDFA à l’exception de l’échantillonnage. Elle ne convient pas aux contrôles dans les ateliers de fonderie. Le Prefil-Footprinter est dérivée de la méthode PoDFA, il s’agit d’une mesure indirecte en temps réel. Une quantité déterminée de métal est forcée à travers un filtre. On mesure en continu la quantité de métal qui passe à travers le filtre à l’aide d’un dynamomètre. La courbe masse / temps est comparée aux courbes de référence. Cette méthode est moins précise que la précédente, elle est davantage adaptée à un contrôle en laboratoire qu’un contrôle en atelier de fonderie. Le QUALIFLASH est une méthode indirecte basée sur la filtration d’une quantité déterminée de métal sous pression atmosphérique. La propreté est évaluée par la quantité de métal passé à travers le filtre. Elle convient parfaitement aux contrôles dans les ateliers de fonderie, elle est moins précise que la méthode précédente mais elle permet de rebuter les bains jugés non propres. Le test K-Mold développé par Kitaoka of Nippon Light Metal Ltd. Cette méthode indirecte consiste en un contrôle visuel des faciès de rupture d’éprouvettes particulières. Elle convient parfaitement pour les contrôles dans les ateliers de fonderie, elle est beaucoup moins précise que la méthode précédente mais permet de rebuter les bains jugés non propres.

Améliorer la qualité des bains

Afin d’améliorer la propreté des bains, les fondeurs doivent limiter tous les paramètres qui augmentent les inclusions, notamment les oxydes. Il est ainsi conseillé d’avoir une basse teneur en fer et en manganèse, une basse teneur en zinc, une basse température de fusion et de maintien, une hauteur de chute du métal limitée et enfin un brassage de métal limité. Pour éliminer les inclusions, il est recommandé de filtrer le métal en particulier lors de son transfert du four de fusion au four de maintien. A ce niveau, il est fortement recommandé de pratiquer un dégazage au rotor combiné à une désoxydation et une élimination des oxydes au moyen de flux.

4 commentaires

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Fréderic et merci de votre marque d’intérêt pour notre article sur les inclusions et oxydes dans l’aluminium.

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