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Machinability aspects of heat-treated Al-(6-11)%Si cast alloys : role of intermetallics and free-cutting elements

Zedan, Yasser. (2010). Machinability aspects of heat-treated Al-(6-11)%Si cast alloys : role of intermetallics and free-cutting elements. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Le besoin de combler le vide entre les procédés de coulé et d'usinage donne de bonnes raisons d'examiner les nombreux aspects affectant l'usinabilité des alliages de fonderie Al-Si. Les alliages quasi-eutectiques sont, parmi les alliages Al-Si, les plus difficiles à usiner, puisque les particules de la phase Si sont environ 10 fois plus dures que la matrice d'aluminium, lesquelles expliquent pourquoi les outils de coupe s'usent prématurément. Toutes ces difficultés nécessitent une meilleure compréhension des effets de la microstructure sur l'usinabilité de ces alliages.

Ce travail a été mené dans le but d'étudier un nouvel alliage expérimental appartenant au groupe des alliages de fonderie Al-Si quasi-eutectique contenant environ 10,8%Si, à savoir l'alliage 396. Suite à ce qui a été soulevé, l'objectif principal de se travail est de rapporter les changements des critères d'usinage résultant des effets des intermétalliques de fer, à savoir a-Fe, /?-Fe et « sludge »; de deux niveaux de Cu, à savoir 2,25 et 3,5%; et de deux niveaux de Mg, à savoir 0,3 et 0,6%. De plus, les effets des alliages sans Mg et modifiés au Sr ont également été étudiés en plus des effets des éléments de décolletage tels que Sn, Bi et Pb. Le traitement thermique T6 a été sélectionné pour établir le niveau de dureté des alliages étudiés à l'intérieur d'une plage de 110± 10 BHN, conforme à la plupart des niveaux de dureté pour les applications commerciales des alliages d'aluminium. La mesure de la dureté a été faite directement sur les blocs d'usinage pour assurer que les échantillons possèdent le niveau de dureté requis. Tous ces alliages ont également été testés mécaniquement de façon à obtenir une compréhension des effets des additifs sur les propriétés mécaniques de tractions pour les mêmes conditions appliquées aux blocs de test d'usinage.

Les tests d'usinage ont été faits sur une machine d'usinage horizontale haute vitesse Makino A88E sous des conditions fixes lesquelles incluent la vitesse de coupe, la vitesse d'avance, la longueur de la coupe, la géométrie de l'outil, le matériau de l'outil ainsi que le liquide de refroidissement. Les critères d'usinage observés sont les forces et les moments total de coupe, la durée de vie de l'outil en termes de nombre de trous percés ou taraudés jusqu'au bris de l'outil, la morphologie des copeaux et l'arête rapporté (BUE).

Les résultats démontrent que la présence de « sludge » sous la forme de points durs a un effet sur la force de coupe et la durée de vie de l'outil qui est réduite de moitié par rapport à l'alliage de base. La formation de la phase a-Fe dans l'alliage Ml a un effet bénéfique sur la durée de vie de l'outil, ainsi cet alliage est celui qui donne le plus grand nombre de trous percés comparativement aux alliages contenant le « sludge » ou /?-Fe; ces résultats pourraient être expliqués par le fait que la formation des intermétalliques a-Fe avec leur morphologie de scripts chinois arrondis et de leur présence à l'intérieur des dendrites a-Al améliore l'homogénéité de la matrice par un durcissement des dendrites. L'augmentation du fer de 0,5% à 1% dans l'alliage 396-T6 contenant 0,5% Mn produit une amélioration distincte de l'usinabilité en termes de force de coupe et de durée de vie de l'outil. Lors des tests de taraudage, il a été trouvé que les outils en acier rapide sont considérablement plus sensibles aux phases intermétalliques de fer que les outils en carbure11 utilisés pour le perçage L'ajout de Fe ou de Mn semblent avoir aucun effet sur l'arête rapporté (BUE) et sur la morphologie des copaux comparativement à l'alliage de base.

L'augmentation des niveaux de Cu ou de Mg dans l'alliage 396-T6 ont tous des effets nuisibles sur la durée de vie du foret. Cette réduction de la durée de vie du foret pourrait être attribuée à la formation d'une grande quantité de blocs de la phase A^Cu et à la formation de plaques épaisses de la phase Al-Si-Cu-Mg. L'alliage expérimental sans Mg affiche les plus faibles force et moment de coupe en plus de produire le plus grand nombre de trous de tous les alliages étudiés. Cette observation pourrait être expliquée par une précipitation combinée des phases durcissantes AI2CU, Mg2Si, Al2CuMg et AlsSiôQ^Mgg dans les alliages contenant du Mg lesquels confèrent une plus grande résistance à l'alliage que la précipitation seule de la phase AI2CU de l'alliage sans Mg. Une comparaison entre l'alliage modifié et non-modifié (contenant les mêmes niveaux de Mg et de Cu) en terme de nombre de trous percés, révèle que la morphologie des particules de Si a un effet sur la durée de vie de l'outil.

L'ajout de petites, mais efficaces, quantités d'éléments de décolletages aux alliages de fonderie Al-Si améliore considérablement l'usinabilité de ces derniers. L'alliage contenant du Sn a un effet sur la durée de vie des forets en carbure et des tarauds en acier rapide. D'un autre côté, les alliages contenant du Bi mènent à un grossissement des particules de Si eutectique résultant à une détérioration de la durée de vie de l'outil. L'ajout simultané d'une petite quantité de deux ou de plusieurs éléments insolubles dans l'aluminium a un plus grand effet sur l'usinabilité en termes de réduction de la force et du moment de coupe que les ajouts individuels de chaque élément. L'ajout de Pb, Bi et Sn semble n'avoir aucun effet sur la formation de l'arête rapporté (BUE) ou sur la morphologie des copeaux excepté que l'alliage contenant du Bi montre un légère tendance à réduire la formation de l'arête rapporté (BUE) et il produit également des copeaux en forme d'éventail plus petit que ceux observés pour les alliage sans Bi.

Un examen visuel des copeaux révèle que la forme d'éventail est de loin la forme prédominante pendant le perçage, de plus elle est considérée comme la forme idéale pour beaucoup d'application de perçage. La fragmentation des copeaux des alliages contenant la phase AbCu était supérieure à celle des alliages contenant la phase Mg2Si. Ainsi, l'addition combinée de Cu et de Mg devrait raffiner davantage la taille des copeaux produits.

L'examen des forets usés a montré que le maximum d'usure prend place au coin extérieur de l'arête du foret, alors qu'un minimum d'usure se produit à, ou près de, la pointe du foret. Lorsque les coins du foret sont arrondis, le foret colle à la pièce et se brise si le procédé de coupe n'est pas arrêté à temps. Pour les tests de taraudage, le principal mécanisme d'usure observé est l'adhésion, même si une certaine abrasion pourrait se produire lors du taraudage des alliages contenant le « sludge » et le Bi. La rupture se produit fréquemment dans la patrie chanfreinée du taraud puisqu'elle génère une majeure partie de la force résultante, en raison de la plus grande section de copeaux apparentée aux dents du chanfrein.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2010
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:217
ISBN:9781412316583
Identifiant unique:10.1522/030145370
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:Aluminium--Alliages--Usinabilité, Aluminum alloys--Machinability, FONDERIE, 396, AL-SI, FER, INTERMETALLIQUE, TRAITEMENT, THERMIQUE, DURETE
Déposé par:Bibliothèque Paul-Émile-Boulet
URL:http://bibliotheque.uqac.ca
Déposé le:01 janv. 2010 07:34
Dernière modification:07 mai 2013 18:04
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