Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

De nos jours, les constructeurs automobiles cherchent à augmenter la performance de leurs véhicules et à diminuer les émissions polluantes. Un des moyens pour y parvenir est de diminuer la masse de leurs véhicules. Pour ce faire, ils ont recourt aux polymères (vinyle, ABS...), aux matériaux composites (fibre de verre, fibre de carbone présent dans certains véhicules...) et des métaux légers (aluminium, magnésium et titane). L'utilisation de l'aluminium dans la fabrication des moteurs est une excellente façon de diminuer la masse des véhicules. Le procédé utilisé par plusieurs constructeurs pour febriquer ces pièces est celui de la mousse perdue qui s'avère être une technique peu dispendieuse, rapide et efficace. La grande différence entre le procédé de la mousse perdue et les autres procédés de mise en forme est essentiellement l'absence de cavité vide. En effet le modèle de polystyrène utilisé pour fabriquer le moule employé lors du procédé de la mousse perdue persiste jusqu'à la coulée du métal. La dégradation du modèle de polystyrène introduit des nouveaux paramètres dans les équations du remplissage et de la solidification qui, couplés au traitement du métal liquide, auront des répercussions sur la microstructure et ultimement sur les propriétés mécaniques.

Le présent travail se veut une analyse des effets du traitement du métal liquide sur la microstructure et les propriétés mécaniques de pièces produites industriellement selon le procédé de la mousse perdue à partir des alliages Al-Si-Mg et Al-Cu. De plus, le travail permettra le transfert de technologie à travers une comparaison entre des coulées préparées sous des conditions idéales de laboratoire et celles produites actuellement dans l'industrie dans le but d'améliorer la qualité des produits.

Tout d'abord, les phases et les autres éléments microstructuraux des alliages employés (220, 356 et 357) ont été caractérisés à l'aide de l'analyse thermique. Ensuite, les effets du traitement du métal liquide (modification, affinage de grain et dégazage) des pièces produites selon le procédé de la mousse perdue sur leur microstructure et leurs propriétés mécaniques (traction et dureté) ont été évalués et puis comparés à d'autres échantillons provenant de différents types de moules (métallique standard ASTM B108, métallique à section large et solidification dirigée).

L'étude des effets des paramètres de coulée sur la microstructure des alliages 356, 357 et 220 produits selon le procédé de la mousse perdue a été menée en employant plusieurs techniques d'analyse : la microscopic optique, l'analyse d'images et la microscopie électronique à balayage. Les effets sur les propriétés mécaniques ont également été évalués à travers une analyse exhaustive d'éprouvettes d'essai de traction.

À la lumière des résultats obtenus, il a été observé que la composition chimique de l'alliage mère de strontium n'avait aucun effet sur la microstructure et sur les propriétés mécaniques des alliages employés.

La valeur de l'espace interdendritique secondaire pour l'assise des boulons de culasse est d'environ 68 um comparativement à 52 um pour la chambre de combustion. Cette différence démontre l'existence de plusieurs vitesses de solidification à l'intérieur d'une même pièce. Le moule métallique à section large donne une vitesse de refroidissement similaire à celle observée dans la chambre de combustion puisque la valeur de l'espace interdendritique secondaire est de 56 um. Les vitesses de solidification pour l'assise des boulons de culasse et pour le troisième niveau (100 mm) du moule à solidification dirigée sont identiques puisqu'ils ont la même valeur d'espace interdendritique secondaire.

L'augmentation de la taille des particules de silicium eutectique en présence de bore et de strontium démontre que ces derniers réagissent ensemble pour former le composé SrB6 qui réduit les effets propres à chacun de ces deux éléments, c'est-à-dire qu'en présence de ces deux éléments, l'affinage des grains et la modification de l'eutectique sont compromis. L'observation faite pour tout les types de moules démontre également l'indépendance de cette interaction à la vitesse de solidification.

Le refroidissement rapide du métal provoque une diminution de la taille des particules eutectiques à l'état brut de coulée. Cependant, le traitement T6 peut annuler cet effet si les particules eutectiques entrent dans la phase de croissance. La croissance des particules de silicium eutectique n'est pas aussi rapide dans l'assise des boulons de culasse que dans la chambre de combustion et démontre que la taille de ces particules dépend grandement de la géométrie de la pièce.

L'hydrogène joue un rôle prédominant sur la formation de la porosité. Par contre, le modèle en mousse laisse une empreinte sous la forme de trous qui peuvent être confondus avec les pores ou les retassures. Cette empreinte est surtout présente pour les échantillons provenant de la chambre de combustion en raison de leur faible épaisseur («10mm). De plus, la vitesse de solidification affecte la porosité en réduisant le temps nécessaire à la formation de celle-ci. Ainsi, une vitesse de solidification élevée générera moins de pores. Toutefois, un autre phénomène tout aussi important apporte une contribution non négligeable à la formation de la porosité : la ségrégation de l'hydrogène qui se produit en avant du front de solidification. Ainsi, la porosité est contrôlée par une combinaison entre le niveau d'hydrogène et la vitesse de solidification comme démontré par les résultats obtenus du moule à solidification dirigée.

Les valeurs de la dureté et de la limite d'élasticité varient selon la composition chimique de l'alliage employé. Des gains de 17% et 24 % sont observés pour la dureté et la limite d'élasticité pour l'alliage 357 par rapport à l'alliage 356. Cette différence est causée par les différentes concentrations de magnésium qui, sous l'action du traitement thermique T6, précipitent sous la forme de Mg2Si. La dureté de l'alliage 220 augmente de 18% et la limite d'Elasticité de 15% par rapport à celle mesurée pour l'alliage 356. Dans ce cas, la phase durcissante AfeCu est responsable de cet accroissement. Tous ces accroissements de la valeur de la dureté sont indépendants du type de moule employé.

L'ajout d'hydrogène diminue la dureté d'environ 25%, tous alliages confondus et toutes techniques de mise en forme confondues. De plus, l'hydrogène détériore la ductilité en causant une fragilisation qui se manifeste par une décohésion accentuée au niveau des pores. La fragilisation des alliages d'aluminium dépend de la microstructure, du taux de déformation et de la température.

Les valeurs de la dureté et de la limite d'élasticité sont surtout contrôlées par le niveau de magnésium dans l'alliage, tandis que la ductilité est surtout contrôlée par la porosité et l'espace interdendritique secondaire.

La différence entre les résultats des paramètres mesurés obtenus pour les échantillons produits selon le procédé de la mousse perdue et ceux issus pour les autres types de moules est essentiellement causée par la porosité (retassure, hydrogène et résidus pyrolyses) et par l'espace interdendritique secondaire qui est 170% plus grand que celui mesuré pour le moule métallique standard.