Le dégazage au rotor en fonderie sous pression

Degazage au rotor en fonderie sous pression aluminium.

Degazage au rotor en fonderie sous pression aluminium.

Le dégazage au rotor de l’aluminium, s’il est couramment pratiqué en moulage sable et moulage coquille, l’est sensiblement moins en fonderie sous pression. En effet, l’exigence en termes de qualité des pièces y est souvent moindre (faible allongement, absence de traitement thermique). Cependant, de nombreuses pièces doivent être étanches sous une pression qui peut être importante. Le dégazage au rotor des bains peut devenir alors nécessaire. Au cours de ce projet, dans un premier temps, 6 conditions de traitements du métal ont été testés sur des lots d’essai de 250 pièces puis le meilleur traitement a été déployé sur un lot de 10 000 pièces en condition de production série.

Principe du dégazage au rotor

Rotor de dégazage en graphite.
Rotor de dégazage en graphite.

Le dégazage au rotor consiste à immerger un rotor en graphite dans le bain d’aluminium liquide. Ce rotor tournant disperse de fines bulles de gaz neutre qui remontent en surface en emmenant l’hydrogène et les oxydes présents dans le bain. On peut ajouter des flux de décrassage qui augmente l’action du rotor.

Le cas d’application

Micro-retassures en zone massive de bossage.
Micro-retassures en zone massive de bossage.

La pièce retenue pour ce projet était un carter automobile, étanche en fonctionnement à 100 bars. La pièce, de 400 g environ en Al Si9Cu3 était moulée sur une grappe 2 empreintes sur une machine d’injection de 360 tonnes. Des microporosités ont été observées (retassures et soufflures) en particulier dans les zones massives (bossages) où le taux de porosité est plus élevé que dans le reste des pièces. Les pièces, après usinage, sont contrôlées à 100 % sur montage d’étanchéité air/air. Pour cela, après pose de joints d’étanchéité, une pression de 5 bars est appliquée et la fuite mesurée ne doit pas dépasser 15 Pa/s. Les pièces sont contrôlées avant imprégnation. Les pièces non conformes partent en imprégnation et elles sont recontrôlées à leur retour.

Etat de gazage et d’oxydes en four de fusion et de maintien

Qualité métal - état de référence.
Qualité métal – état de référence.

Avant de réaliser les essais, un état des lieux da la qualité du métal en four de fusion et en four de maintien machine a été réalisé. Il ressort que le métal est fortement gazé (mesure Alscan) et moyennement oxydé (mesure Qualiflash).

Une évolution de l’état d’oxydation en four de maintien machine

Il a été noté que le niveau d’oxydation dans le four de maintien machine évolue. Il est très important (indice Qualiflash Q 8) juste après la réalimentation en métal liquide, puis diminue progressivement (Q5 et Q4). On peut sans doute expliquer ce phénomène par la verse du métal lors de la réalimentation qui génère des oxydes entrainés sous la surface. Puis ces oxydes remontent en surface progressivement où ils sont éliminés par l’opérateur machine (écrémage de la surface du bain).

Les traitements réalisés sur lot de 250 pièces

Plusieurs traitements (rotor, …) ont été testés sur des lots d’essais et suivis lors du test d’étanchéité (avant et après imprégnation). Pour chaque lot d’essai de 250 pièces, le métal liquide a été contrôlé avec des médailles spectrométriques (composition chimique), des analyses au Porotec (teneur en gaz), des mesures Qualiflash (teneur en oxydes) et enfin des éprouvettes coulées en coquille pour prélèvement d’éprouvettes de caractérisation mécanique (A%, Rm, Rp0.2). Les 6 lots d’essais réalisés étaient l’état de référence (1), un traitement au rotor (2), un traitement au rotor et flux (3), un traitement de rotor et flux et affinage au TiB (4), un traitement de rotor et flux et modification au strontium (5) et enfin un autre alliage Al Si12Cu2 non nettoyé (6).

Les résultats sur lot d’essai

Résultats des essais de traitement au rotor.
Résultats des essais de traitement au rotor.

Les résultats sur les 6 lots d’essai sont synthétisés dans le tableau ci-dessus où apparaissent dans les différentes colonnes le taux de rebut (avant et après imprégnation) lors du passage du test d’étanchéité, le niveau de fuite moyen (avant et après imprégnation) avec 15 Pa/s comme valeur limite, la quantité de métal passée au travers le filtre (test Qualiflash) mesurée dans le four de maintien et enfin l’indice de gazage mesurée également dans le four de maintien. Plus la quantité d’aluminium passée est importante dans le test Qualiflash et moins il y a d’oxydes dans le bain.

Le dégazage au rotor en four de maintien

Le dégazage au rotor était réalisé dans le four de maintien machine pendant 17 minutes (traitement à l’azote) après réalimentation du bain par la poche de transfert. Il est clair que ce type de traitement en four de maintien est idéal et qu’il bénéficie ici d’une durée de traitement prolongé. Il n’est cependant en pratique que très difficilement réalisable. Pour ces essais, nous nous sommes donc placés en conditions très favorables.

Influence du traitement au rotor

Dégazage rotor et influence sur les oxydes et l'indice de gazage.
Dégazage rotor et influence sur les oxydes et l’indice de gazage.

Les essais avec un traitement au rotor (ou rotor et flux) montrent de meilleures performances lors des tests d’étanchéité air/air en termes de fuite moyenne mesurée et de rebut après imprégnation. Le traitement qui cumule rotor et flux apparaît être le plus efficace. Il réduit en particulier de manière très importante le gazage du métal (indice de gazage passant de 137 à 2) et de manière importante les oxydes dans le bain.

Influence des traitements sur les caractéristiques mécaniques

La pièce ne permettant pas de prélever une éprouvette de traction, des éprouvettes de traction coulées à part dans un moule coquille ont été réalisés. Les traitements n’ont eu aucun effet sur les propriétés mécaniques à l’exception du traitement de modification au strontium (l’indice de qualité Q passant de 180-200 MPa à 247 MPa).

Influence de l’affinage

L’affinage par pastille de flux n’a pas réussi (structure non affinée et Ti introduit dans le bain de 0.004 % contre 0,16 % visé) très probablement à cause d’une température d’introduction (710°C) des flux trop basse (température conseillée de 720°C). Les résultats du lot sont cependant très bons, à cause du traitement de dégazage et de désoxydation préalables à l’affinage.

Influence de la modification de l’AlSi9Cu3

Microstructure AlSi9Cu3 modifiée au strontium.
Microstructure AlSi9Cu3 modifiée au strontium.

La modification (par alliage mère AlSr10) est effective (structure lamellaire) et on mesure 280 ppm de Sr dans l’alliage. Le niveau de strontium évolue dans le four de maintien entre 300 ppm et 270 ppm (en fin d’essai). La modification au strontium (essai n° 5) donne cependant les moins bons résultats et aggrave la tendance à la fuite par rapport à de l’Al Si9Cu3 non nettoyé. L’effet néfaste de la modification pourrait être expliquée par une diminution de la coulabilité de l’alliage, l’augmentation de l’oxydation pendant la coulée et l’augmentation du gazage pendant la coulée (Porotec à 11 au lieu de 2 pour les essais 4 et 5).

Influence du changement d’alliage avec l’Al Si12Cu2

L’Al Si12Cu2 a été élaboré en four de fusion séparé à partir d’AlSi9Cu3 et d’alliage mère AlSi22. L’alliage Al Si12Cu2 non nettoyé, donne des résultats intéressants après imprégnation (7 % de rebuts). Par contre, les résultats sont très mauvais (49 % de rebut) avant imprégnation. Ces mauvais résultats obtenus sont probablement dus à un fort taux de gazage et une oxydation moyenne à importante car le métal n’a pas subi de traitement au rotor ou avec un flux de désoxydation. Un alliage Al Si12Cu2 propre donnerait sans doute de bons résultats.

Le dégazage d’un lot d’essais de 10.000 pièces en poche de transfert

Indice de gazage fonction du lieu de traitement de l'aluminium.
Indice de gazage fonction du lieu de traitement de l’aluminium.

Après ces essais préliminaires, un lot d’essai de 10 000 pièces a été réalisé avec un métal traité au rotor dans la poche de transfert (traitement à l’azote) dans des conditions industrielles (temps de traitement de 6 minutes). Le four de fusion de 30 tonnes était alimenté avec un mixte de métal neuf et de retour (systèmes d’alimentation des grappes). Après traitement au rotor, le métal était versé en four de maintien machine de 600 kg. Le résultat sur le lot de 10 000 pièces a montré un taux de rebut (pour défaut d’étanchéité) après imprégnation de 2.0 % contre 12,1 % sur un lot de 50 000 pièces non traité au rotor réalisé les semaines précédentes.

Conclusions

Le traitement de nettoyage (désoxydation et dégazage) au rotor permet d’améliorer la qualité des pièces en fonderie sous pression aluminium. Si le traitement dans le four de maintien constitue l’optimum, en pratique, il est très difficile à réaliser. Un traitement dans la poche de transfert, s’il est moins efficace, permet d’augmenter le niveau de qualité (moins d’oxydes et d’hydrogène dans le bain) et d’améliorer le niveau de qualité des pièces (défauts internes, étanchéité).

2 commentaires

  1. Merci pour ces résultats pratiques très intéressant.
    Votre niveau de Sr visé était-il bien autour de 300ppm?
    Je sais qu’on ajoute des quantités importantes de Sr dans des alliages à bas fer pour éviter l’étamage, mais je suppose que ce n’était pas votre cas. En moulage coquille, on considère suffisant (je crois, à vérifier) d’ajouter de 100 à 150ppm pour modifier, d’où ma question.

    Merci.

    • Le métallonaute Le métallonaute dit :

      Bonjour Franco et merci d’avoir apprécié cet article de MetalBlog sur le dégazage au rotor en fonderie sous pression. Pour répondre à votre question, nous avons introduit 300 ppm car nous savions que son niveau chute durant le maintien, ce que nous avons constaté en pratique. Effectivement la quantité introduite est sans doute un peu importante, du fait d’un excellent rendement d’introduction. L’objectif n’était pas effectivement d’éviter l’étamage, mais bien de mesurer l’impact sur l’étanchéité des pièces. En coulée gravité, le pourcentage de strontium est effectivement entre 100 et 120ppm aujourd’hui et même parfois entre 80 et 100.

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