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The use of fluidized sand bed as an innovative technique for heat treating aluminum based castings

Ragab Khaled Ahmed. (2012). The use of fluidized sand bed as an innovative technique for heat treating aluminum based castings. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

La présente étude a été réalisée dans le but d'en arriver à une meilleure compréhension de l'influence des traitements thermiques sur lit de sable fluidisé sur les propriétés élastiques ainsi que des indices de niveau de qualité des moules servant à la fonte des alliages A356.2 et B319.2. Pour des fins de validation, l'utilisation de fours à lit de sable fluidisé dans les applications industrielles pour le traitement thermique des moules A356.2 et B319.2, les propriétés élastiques et les indices du niveau de qualité de ces alliages sont corrélés avec les paramètres métallurgiques les plus communs les influençant. L'étude de ces variables comprend la modification de strontium, le raffinage du grain, le temps requis lors de la mise en solution, les paramètres de vieillissement et des moyens utilisés au refroidissement. La technologie traditionnelle de traitement thermique, s'appliquant au système de circulation d'air des fours à convection, a été utilisée afin d'établir une comparaison pertinente avec le lit de sable fluidisé pour le traitement thermique des alliages étudiés dans le but d'obtenir des cycles de vieillissement T6 en continu ou cycles multi-gradués. Un tableau de données qualitatives a été utilisé pour prédire et/ou sélectionner les conditions optimales de traitement thermique ainsi que les techniques à appliquer dans l'industrie afin d'obtenir les propriétés optimales requises pour les applications en ingénierie notamment.

Les résultats ont révélé que les valeurs de résistance obtenues pour les alliages 319 et 356 en utilisant 16 sont plus sensibles au traitement thermique sur lit de sable fluidisé (FB) que lors d'un traitement classique dans un four à convection (FC) pour des durées de traitement en solution allant jusqu'à 8 heures. Au-delà de cette période, aucune différence notable dans les propriétés n'a été observée avec les deux techniques. Une augmentation significative de la résistance a été observée dans les échantillons traités thermiquement sur lit de sable fluidisé, après un court temps de vieillissement situé entre de 0,5 et 1 heure et même pouvant aller jusqu'à 5 heures. Les alliages 319 montrent des signes d'usure prématurée après 8 heures de vieillissement à l'aide d'un four conventionnel, tandis qu'avec un traitement sur lit de sable fluidisé, l'usure n'apparait seulement qu'après 12 heures. L'analyse des propriétés d'élasticité en termes d'indice de qualité a démontré que les deux alliages 319 et 356 modifiées et non modifiées ont le même niveau de qualité ou plus élevé, après seulement 2 heures de traitement dans un lit de sable fluidisé, comparativement à 10 heures en utilisant un traitement avec des fours à convection (FC). Les indices de qualité des alliages 356 sont plus sensibles à la technique du lit de sable fluidisé que pour les alliages 319 grâce à un temps de vieillissement plus long pouvant aller jusqu'à 5 heures. Cependant, les alliages 319 traités thermiquement sur lit de sable fluidisé démontrent de meilleurs indices de qualité que ceux obtenus avec un four à convection après 0,5 heures de vieillissement et des temps de traitement en solution d'un maximum de 5 heures. En ce qui concerne les tableaux de données qualitatives des alliages 319, les échantillons traités thermiquement montrent que l'augmentation du temps de vieillissement atteint son niveau maximal de résistance après 8 heures dans un four à convection (FC) et après 12 heures sur un lit de sable fluidisé (FB), il y a donc une augmentation du niveau de résistance de l'alliage avec une diminution de ses indices de qualité pour la même durée de traitement thermique en solution. L'analyse statistique des résultats révèle que la modification et le niveau de température de chauffage pour la technique de traitement thermique ont le plus d'effets positifs sur les indices de qualité des alliages 356. L'analyse des diagrammes d'interaction confirme que les indices de qualité des alliages 356, comparativement aux alliages 319, sont plus sensibles à la technique de lit de sable fluidisé qu'aux techniques de traitement thermique des fours conventionnels. Les caractéristiques des particules Si des alliages étudiés démontrent que la plus petite taille des particules est obtenue après un traitement thermique en solution en utilisant un lit de sable fluidisé, la solution optimale de traitement thermique étant de 0,5 heure pour les alliages modifiés et jusqu'à 5 heures pour les alliages non modifiés. Le traitement sur lit de sable fluidisé résulte en des particules Si fragmentées en raison des effets du niveau de température élevé associé à cette technique. En ce qui a trait aux caractéristiques de durcissement des précipités, il existe une relation directe entre le niveau de température et la dispersion des précipités pendant le traitement de vieillissement. Le niveau de température dans un lit de sable fluidisé conduit à la formation des précipités plus stable, ou des zones GP, pendant la phase de chauffage pour atteindre la température de vieillissement. Ces précipités peuvent agir comme des zones propices pour la nucléation hétérogène d'autres précipités.

L'utilisation d'un lit de sable fluidisé pour les traitements de refroidissement et de vieillissement des moules destinés à la fonte des alliages A356.2 et B319.2 démontre des rendements YS (limite élastique) et UTS (limite ultime) supérieurs par rapport aux alliages placés dans les fours conventionnels. Les valeurs de résistance des alliages A356 et B319 qui ont été traités selon le traitement T6 sont meilleures lorsqu'ils sont immergés dans l'eau comparativement à ceux trempés dans le lit de sable fluidisé et placés dans des fours conventionnels. Alors que, pour les mêmes conditions de vieillissement (170 °C pendant 4 heures), l'immersion des alliages 319 et 356 dans un lit de sable fluidisé révèle de meilleures valeurs de résistance que ceux trempés dans l'eau. En se basant sur les tableaux de données qualitatives développés pour les alliages en condition d'immersion, nous obtenons des indices de qualité supérieurs avec des alliages immergés dans l'eau et placés dans des fours conventionnels pour alliages A356 et B319 immergés en solution de cycle de vieillissement T6. Le facteur de modification a l'effet le plus significatif sur les résultats de qualité des alliages étudiés pour tous les cycles de traitement thermique en lien avec les autres paramètres métallurgiques. Les données recueillies pour alliages étudiés, soumis à plusieurs cycles de vieillissement T7/T6, révèlent que les résultats sur les niveaux de résistance obtenus après le traitement de vieillissement en continu T6 de l'alliage A356 ne se sont pas améliorées avec des cycles de vieillissement à températures gradués, ce qui indique que les propriétés optimales sont obtenues par le traitement de vieillissement T6. Ainsi, les valeurs optimales de résistance pour les alliages B319.2 sont obtenues en utilisant des cycles de vieillissement à températures multiples de type T7/T6 tels qu'à 230 °C pendant 2 heures suivi par 180 °C pendant 8 heures (SA32), comparativement à un traitement de vieillissement T6. Pour les cycles de vieillissement à température multiple T7/T6, le facteur de modification a le rôle le plus important dans l'amélioration des valeurs d'indice de qualité des alliages 356 et 319. Les alliages traités au lit de sable fluidisé ont les valeurs de résistance les plus élevées pour tous les cycles de traitement thermique en comparaison à ceux obtenues pour les alliages traités au four conventionnel. Le lit de sable fluidisé n'a pas d'effet significatif sur les valeurs d'indice de qualité des alliages 319 en comparaison au four conventionnel. En ce qui concerne les diagrammes d'interaction pour les cycles de vieillissement à température multiple, les facteurs les plus importants qui ont un effet positif sur les valeurs de l'indice de qualité des alliages 356 alliages sont la modification et le cycle de vieillissement à température multiple T7/T6 appliqué à 230 °C pendant 2 heures suivi par le vieillissement à 180 °C pendant 2 heures. L'analyse statistique faite en utilisant le logiciel Minitab afin d'obtenir les graphiques « matrix plots » révèle que le cycle à température multiple T7/T6, appliqué par le vieillissement à 249 °C pendant 4 heures et suivi par le vieillissement à 180 °C pendant 2 heures, est la condition optimale à ce qui a trait à la température lors du traitement qui améliore les valeurs de qualité des alliages 319. Les modèles de régression indiquent que la moyenne des valeurs de l'indice de qualité pour les alliages B319 sont plus sensibles à l'absorption que les alliages 356 en raison de la formation d'un plus grand pourcentage de zones GP dans alliages Al-Si-Cu- Mg. Ces zones GP agissent comme des sites de nucléation hétérogènes pour les précipitations et améliorent la cinétique de vieillissement.

La technologie de lit de sable fluidisé peut être potentiellement utilisée pour mettre en solution, refroidir et vieillir les alliages A356 et B319 lors de la fonte afin d'obtenir la solution la plus rentable au niveau des coûts entre la résistance des alliages et les niveaux de qualité requis pour les applications spécifiques en ingénierie. Le lit de sable fluidisé a le mérite d'améliorer la microstructure et les propriétés mécaniques ainsi que la qualité et la performance des alliages étudiés.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2012
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:272
ISBN:9781412318068
Identifiant unique:10.1522/030297899
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Samuel, Fawzy Hosny
Samuel, Agnès Marie
Mots-clés:Fours à lit fluidisé, Fluidized-bed furnaces, Métaux--Propriétés élastiques, Élasticité, Metals--Elastic properties, Elasticity, Alliages--Qualité, Alliages--Traitement thermique, SABLE
Déposé le:14 déc. 2012 09:59
Dernière modification:07 mai 2013 22:15
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