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

Résumé

Les alliages aluminium-silicium (Al-Si) constituent la majorité de moulages en aluminium, ceci est du à la fluidité élevée fournie par la présence d'un volume relativement grand de la phase eutectique du silicium. La demande des pièces coulées en aluminium de plus haute qualité, en particulier dans les industries de l'automobile et de l'aérospatiale, a concentré beaucoup d'attention sur la qualité de l'aluminium fondu. La propreté du métal, une caractéristique importante qui affecte la qualité et la performance du produit final, est déterminée par la quantité des éléments de trace, de gaz, d'oxydes, d'impuretés et d'inclusions actuelles dans le métal liquide. Les inclusions dans les alliages coulés d'aluminium ont été un problème important dans le processus et contrôle de qualité.

Le contrôle de la propreté du métal dans les alliages Al-Si fondus exige des moyens de surveiller et réduire au minimum la présence des impuretés, des inclusions et des gaz. Beaucoup de techniques ont été présentées pour mesurer le contenu d'inclusion dans les fontes en aluminium. Parmi elles, la technique de LiMCA (analyseur liquide de propreté en métal) est une technique non destructive qui est capable d'effectuer des mesures in situ des concentrations d'inclusion et de les distinguer selon la dimension particulaire.

La présente étude a été entreprise pour étudier les possibilités de la technique de LiMCA pour mesurer différents types d'inclusions en alliages purs commerciaux d'aluminium et d'Al-6%Si, en utilisant deux températures différentes (680 et 750°C). Le but principal de l'étude était d'évaluer la technique dans le cas des alliages de fonderie, où les niveaux d'inclusion sont considérablement plus élevés que ceux trouvés dans les alliages d'aluminium corroyés pour lesquels la technique de LiMCA a été généralement employée jusqu'à maintenant.

Les types d'inclusions étudiés qui sont AL2O3, AL4C3, MgO, CaO, TiB2 et TiAl3, représentant des inclusions typiquement trouvées dans les alliages d'aluminium de fonderie. Les additions d'inclusion ont été faites en utilisant la poudre, l'alliage mère, métal pur et de matrice composite de métaux. Dans le cas des inclusions de poudre, les inclusions ont été injectées dans la fonte d'alliage en utilisant une technique d'injection de poudre pour préparer un contenu d'inclusions dans les lingots qui seront plus tard employés pour l'addition d'inclusion aux fontes fraîches d'alliage pour effectuer les essais de LiMCA. Les données de LiMCA ont été obtenues sous forme de parcelles qui ont fourni toute la concentration en nombre et en volume de concentration des inclusions, en fonction du temps et de la dimension particulaire. L'examen microstructural des échantillons solidifiés obtenus à partir du tube de sonde de LiMCA utilisé pour les mesures et à partir des prélèvements de la fonte a été également effectué, en utilisant la microscopie et la microanalyse optique de sonde d'électron (EPMA).

Une analyse des données de LiMCA obtenues et des micro structures correspondantes a montré qu'après les procédures semblables d'addition d'inclusion, le nombre maximum des inclusions dans les fontes en aluminium pures commerciales à 750°C que est donné par des inclusions d'A^Os, suivies des inclusions d'Al4C3, alors que les inclusions de CaO montrent les plus basses concentrations. La plupart des inclusions sont détectées dans la gamme de grandeur de 20 à 25 um. Dans le cas des inclusions de MgO, les plus grandes additions du MgO augmentent la distribution d'inclusion dans les gammes plus étendues de dimension particulaire, montrant la tendance des inclusions de MgO à l'accumulé. Les natures semblables des courbes pour des inclusions de MgO obtenues à partir des essais effectués à la température de 680°C indiquent la répétitivité des prélèvements de LiMCA pris du même métal liquide.

La comparaison du nombre total et la moyenne des inclusions TiB2 montrent leur tendance de disperser dans la fonte plutôt qu'accumulé. Même avec une plus grande addition des inclusions TIB2 à la fonte, la technique de LiMCA peut correctement détecter l'augmentation correspondante de la concentration dans la gamme de dimension particulaire de 20 à 25 jam. Les concentrations en volume pour les inclusions TiAl3 dans les fontes pures d'Al à 680 °C restent hautes pour toutes les gammes de dimension particulaire, tandis que pour d'autres inclusions, les dimensions particulaires plus élevées montrent de bas volumes.

Dans les alliages Al-6%Si coulés à 750 °C, il y a une première période de 15-20 minutes avant que les lectures d'inclusion commencent à être détectées correctement par le LiMCA. Les inclusions AL2O3 et TiB2 montrent les concentrations les plus élevées dans les gammes inférieures de dimension particulaire, où TiB2 montre cette tendance pour presque toute la gamme de dimension particulaire. Les inclusions Al4C3 montrent des concentrations près de celles d'Al2O3, alors que les CaO et les MgO montrent les plus basses concentrations. Les effets de l'agglomération et de la sédimentation de particules sont également reflétés par les caractéristiques de distribution de dimension particulaire. Bien que les inclusions de CaO montrent les plus basses concentrations dues à leur basse mouillabilité, leur présence est encore différenciée par le LiMCA en ce qui concerne les niveaux bas d'inclusion d'alliage (sans aucune addition). Les inclusions CaO, MgO et TiB2 montrent des concentrations en volume élevées.

Le LiMCA est sensible à la taille et à la concentration d'inclusion. Sa sensibilité augmente pendant que la température de fonte diminue. Les concentrations plus élevées d'inclusion de LiMCA II à des températures plus basses de 680 °C pour tous les types d'inclusion ont été étudié. Cet effet est le plus prononcé pour des inclusions de la poudre TiB2 et AL4C3. Les types d'inclusion suivants montrent les concentrations les plus élevées : TiB2 (poudre) > MgO + Mg > TiB2 (alliage mère) >Al4C3 (poudre) dans cet ordre.

Les inclusions de TiB2 (poudre) et de MgO (métal) sont associées à l'excédent de volumes élevés de toutes les gammes de dimension particulaire, indiquant la présence des inclusions de toutes les tailles dans la fonte et des effets délétères relatifs des inclusions. Les niveaux beaucoup plus élevés d'inclusion de MgO obtenus avec l'addition du métal de magnésium (plus la surchauffe de la fonte) montre que cela l'addition directe du métal est une source bien meilleure de ces inclusions qu'en utilisant la poudre de MgO elle-même (20.000 contre, ppb 5.000). Ceci démontre la sensibilité et la fiabilité de la technique de LiMCA à la présence et la source des inclusions supplémentaires à la fonte.

En ce qui concerne des additions d'inclusion en utilisant des alliages mères, les nombres de la concentration de TiB2 sont beaucoup plus hauts que ceux de TiAl3. Cependant, dans les deux cas, la plupart des inclusions sont trouvées dans la gamme de dimension particulaire allant de 20 à 25 um. Du point de vue de fournir des noyaux hétérogènes à la fonte par l'utilisation des alliages mères de raffinage de grain, les mesures de LiMCA prouvent clairement que Al-5%Ti-l%B est beaucoup plus efficace que l'alliage Al-10%Ti.

Dans la présente étude, l'évidence microstructurale de l'accumulation d'une vaste quantité d'inclusions de TiB2 comme capturée par le tube de sonde de LiMCA prouve que LiMCA est la seule technique qui peut capturer de tels agglomérés en ligne, sans n'importe quel problème, car d'autres techniques telles que le PoDFA et le Prefil ne peuvent pas mesurer de tels agglomérés TiB2 sans leurs systèmes de filtre obtenant obstrués et interrompant les mesures. C'est une conclusion significative, et démontre un aspect très important de la technique de LiMCA, en particulier en raison du fait que des alliages mères de type d'Al-Ti-B sont régulièrement utilisés pour l'affinage des grains.