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

Résumé

Les alliages aluminium-silicium-cuivre-magnésium de type 319 sont largement répandus dans la production des blocs de moteur grâce à leur résistance élevée à la fatigue. Ces alliages qui sont thermiquement traitables appartiennent à la classe des alliages d'aluminium dont les propriétés peuvent être améliorées en utilisant un traitement thermique spécifique comportant un traitement thermique de mise en solution, suivi d'une trempe et d'un vieillissement. Le but du traitement de mise en solution est de maximiser la quantité des corps dissous durcissants (Cu et Mg) dans la solution solide en matrice d'aluminium. Dans le cas des alliages 319, la température de solution doit être gardée la plus proche possible de la température eutectique du cuivre, à un niveau au-dessous du maximum pour éviter la surchauffe et fondre, par conséquent, partiellement la phase d'A^Cu (nommée fusion locale). Le traitement de mise en solution peut être effectué dans des étapes simples ou multiples. Puisque le traitement à une seule étape est habituellement limité à 495 °C, pour éviter la fusion locale, il ne peut être suffisant ni pour maximiser la dissolution des phases riches en cuivre, ni pour modifier la morphologie des particules de silicium, deux considérations importantes en ce qui concerne l'amélioration des propriétés d'alliage. On a donc proposé des traitements de mise en solution en deux étapes et en étapes multiples pour rectifier ce problème.

Ce travail de recherche a été réalisé sur les alliages Al-Si-Cu-Mg de type 319 pour étudier le rôle du traitement thermique de mise en solution sur la dissolution des phases contenant du cuivre (O1AI2 et AlsMggCuaSiô) dans les alliages 319 contenant des niveaux de magnésium différents, 0, 0.3 et 0.6 % en poids, pour déterminer le traitement thermique de mise solution optimum en ce qui concerne l'occurrence de la fusion locale par rapport aux propriétés d'alliage. Deux séries d'alliages ont été étudiées. Une série d'alliages expérimentaux Al-7%Si-3.5%Cu contenant des niveaux de magnésium de 0, 0.3, et 0.6 % en poids. Cette série a été préparée au laboratoire en utilisant des éléments purs. La deuxième série a été basée sur l'alliage industriel B319 (contenant 0.3% en Mg), où le niveau de magnésium a été augmenté jusqu'à 0.6% en poids en ajoutant du Mg pur au métal liquide. Afin d'étudier l'effet de la modification, le strontium a été ajouté par quantité de 150 ppm aux alliages expérimentaux et industriels, pour fournir un ensemble d'alliages modifiés par le strontium. Ainsi, un total de dix alliages a été étudié dans ce cas.

Pour chaque alliage, cent barreaux pour les essais de traction ont été préparés en utilisant un moule métallique permanent de type ASTM B-108. Chaque coulée a fourni deux barreaux pour l'essai. Les barreaux de traction ont été traités thermiquement par divers traitements thermiques de mise en solution, c.-à-d. quatre étapes simples, huit étapes doubles, et quatre étapes triples de traitements de mise en solution. Les températures de mise en solution utilisés étaient 450°C, 490°C, 500°C et 520°C, pendant des temps de mise en solution de 4h et de 8h, dans diverses combinaisons de ces températures et périodes. Après le traitement thermique de mise en solution, toutes les barreaux ont été trempés dans l'eau chaude (60°C), suivi d'un vieillissement à 155°C pour une période de 5h. Les réactions se produisant pendant la solidification ont été surveillées en utilisant l'analyse thermique, alors que la dissolution des phases de cuivre était analysée en utilisant un système optique d'analyseur d'image. Une microsonde électronique (EPMA) couplé aux rayons X à énergie dispersive (EDX) et de la spectroscopie de longueur d'onde (WDS) ont été utilisés.

Les résultats montrent que dans la condition de tel que coulé, la ségrégation du cuivre se produit aux joints de grain, et la présence du strontium ou du magnésium peut empirer la ségrégation. Quand le magnésium et le strontium sont ajoutés en même temps, cependant, la ségrégation est affaiblie dans une certaine mesure comparée à leur addition individuelle. Après le traitement thermique de mise en solution, et particulièrement dans les alliages modifiés par le strontium, le cuivre commence à se distribuer à travers les dendrites aussi bien que dans la matrice, avec l'augmentation du temps de mise en solution et de la température. La quantité non dissoute d'AlaCu diminue et le cuivre augmente dans la matrice, atteignant un maximum après un traitement thermique de mise solution de 490° durant 8h. L'addition du Mg dans les alliages 319 (expérimentaux ou industriels) mène à un point de fusion bas et une phase complexe insoluble de type AlsMggCuaSig. L'augmentation d'addition de magnésium à 0.6 % en poids augmente la fraction volumique de cette phase et les précipitations pré-eutectique et post-eutectique AlsMggCuaSiô sont observées. Dans les traitements thermiques de mise en solution où la dernière température utilisée excède le point de fusion de la phase AlsMggCuaSie, la fusion locale de cette phase se produit, entraînant une détérioration grave des propriétés mécaniques d'alliage.

La présence du Sr a comme conséquence la modification de la morphologie des particules de silicium eutectique d'une forme aciculaire dans les alliages non modifiés à une forme fine et fibreuse dans les alliages modifiés par le strontium. On observe également une dépression correspondante à la température Al-Si eutectique. Cependant, le strontium mène également à la ségrégation de la phase de cuivre dans des secteurs loin des régions eutectiques de silicium, de sorte que la phase d'AlaCu a une tendance à précipiter dans une forme de blocs plus massifs plutôt que dans sa forme eutectique plus fine. Ce changement de la morphologie de la phase de cuivre ralentit son taux de dissolution pendant le traitement thermique de mise en solution de sorte que quand (a) le temps du traitement de mise en solution de la première étape n'est pas suffisamment long pour dissoudre les particules d'A^Cu, et (b) la température du traitement de la deuxième étape est plus haute que le point de fusion d'A^Cu, la fusion locale aura lieu, et en raison du rétrécissement de volume pendant la trempe, on observera la formation de porosité. L'addition du Sr peut occasionner également des augmentations du pourcentage surfacique de porosité et de la longueur des pores, en particulier à la température de traitement de mise en solution de 520 °C.

Les propriétés de traction, c.-à-d, les valeurs de la limite ultime (L.U), de la limite élastique (L.É), de l'allongement à la rupture (A%) et de l'index de qualité (Q) obtenues montrent que l'addition du magnésium aux alliages expérimentaux 319 mène à une augmentation de la limite d'élasticité et de la limite ultime, mais une dégradation dans l'allongement à la rupture. Dans les alliages non modifiés, la perte d'élongation est balancée par l'augmentation de la résistance, ainsi les valeurs de Q sont augmentées. Dans les alliages expérimentaux modifiés, la dégradation de l'élongation n'est pas équilibrée par l'augmentation de la résistance, ainsi les valeurs de Q sont diminuées. Le magnésium augmente la limite élastique (L.É) davantage que la limite ultime (L.U). La combinaison optimum du Mg et du Sr est de 0.3% de Mg avec 150 ppm Sr. Les propriétés de traction correspondantes dans la condition de tel que coulé sont 260 MPa (L.É), 326 MPa (L.U), 1.50% (A%), 352 MPa (Q), montrant une augmentation de 79% et 40% pour L.É et L.U, respectivement, une diminution de l'élongation de 38%, et une augmentation de l'index de qualité de 21% comparé à l'alliage de base. Une augmentation ultérieure du contenu de magnésium mène à la dégradation des propriétés de traction.

Pour les alliages étudiés, en l'absence du magnésium, le traitement thermique de mise en solution recommandé est 45Û°C/4h + 500°C/4h + 52Q°C/4h, pour lequel les propriétés de traction et l'index de qualité correspondants sont 385 MPa (L.U), 240 MPa (L.É), 5.25% (A%), et 493 MPa (Q). Dans les alliages contenants du Mg, le traitement thermique de mise solution optimum est 490°C/8h + 520°C/4h; les propriétés de traction correspondantes sont 445 MPa (L.U), 334 MPa (L.É), 4.24% (A%), et 539 MPa (Q), respectivement. Dans le cas des alliages industriels, les éléments de trace tels que le Ni, le Fe et le C, tendent à former autres intermétalliques de cuivre qui, à leur tour, fournissent des propriétés mécaniques plus élevées que les alliages expérimentaux contenant le même niveau du magnésium.