Les alliages d'aluminium coulables offrent diverses propriétés mécaniques. Les types les plus courants sont l'A356, l'A357 et l'A380. Les traitements thermiques tels que le T6 améliorent la résistance. Ils sont utilisés dans l'automobile, l'aérospatiale et l'ingénierie générale. Les principales propriétés sont la résistance à la traction, l'allongement et la dureté. Le choix de l'alliage dépend des besoins de l'application.

Dans cet article, vous obtiendrez les connaissances de base sur les différents types d'alliages d'aluminium coulables.

Aperçu des alliages d'aluminium coulables

Définition et importance

Il existe de nombreux alliages pour le moulage. Certains d'entre eux sont des alliages d'aluminium. L'aluminium contient un mélange d'autres éléments (tels que le magnésium ou le silicium). C'est ce qui donne ses différents alliages.

L'aluminium fond à des températures avoisinant les 660 °C. Cette forme fondue est ensuite introduite dans le moule pour y prendre la forme d'un profil.

En raison de leur faible poids, avec une densité de 2,7 g/cm³, ces alliages sont trois fois plus légers que l'acier. C'est la raison pour laquelle ils conviennent à de nombreuses applications. Par exemple, les voitures, les avions et les machines.

En outre, ils résistent bien à la corrosion et peuvent prendre n'importe quelle forme tout en restant solides.

Composition et propriétés des alliages d'aluminium coulables

Composition de l'alliage

La formation d'alliages d'aluminium coulables dépend de la composition de nombreux éléments. Par exemple, l'aluminium peut contenir du silicium (5-12%), du magnésium (0,2-10%), du cuivre (1-4%) ou du zinc (1-3%).

Le silicium fond à 577°C, ce qui lui permet de mieux remplir les moules. Le magnésium, quant à lui, contribue à renforcer la résistance en formant de fins précipités. Le cuivre développe la dureté.

Par exemple, l'alliage A380 contient 8-10% de silicium et 3-4% de cuivre. C'est pourquoi ils offrent une grande fluidité, s'étalant sur des espaces de moulage aussi étroits que 0,1 mm.

Rôle des oligo-éléments

De petites quantités d'éléments comme le fer (<1%) empêchent le collage aux moules, et le manganèse (0,5%) améliore la résistance à la corrosion.

La coulée d'alliages d'aluminium évite le collage des moules simplement en raison de la contribution de petites quantités d'oligo-éléments comme le fer (<1%).

De même, ils résistent bien à la corrosion et ont des grains plus petits grâce au manganèse (0,5%) et au titane (0,2%), respectivement. Cela permet également de réduire les fissures.

Structure et composition microscopiques

L'image ci-dessus illustre l'effet de la composition sur la structure du grain. Par exemple, le gros grain (50-100 µm de large) apparaît dans la phase initiale de la coulée.

Les éléments de silicium (10-20 µm) acquièrent une grande résistance, bloquant les dislocations. Pendant ce temps, la nucléation se forme au niveau des joints de grains (GB). Les noyaux croissent jusqu'à l'état de la matrice pendant le refroidissement.

Propriétés mécaniques et physiques

Résistance et ductilité :

Les alliages coulables ont une résistance à la traction qui varie entre 200 et 380 MPa. Par exemple, l'a356 obtient 280 MPa et est extensible (10%) juste avant la rupture.

De même, le traitement thermique (par exemple, la trempe T6) induit une résistance accrue de 20% et une ductilité de 8% dans l'A356. Pour ce faire, les alliages sont chauffés à 500°C, trempés à l'eau et vieillis à 150°C pendant 5 heures.

Résistance à la corrosion

Lorsqu'un alliage contient du magnésium (par exemple, 520.0 avec 10% Mg), il reçoit une couche d'oxyde protectrice. Cela signifie qu'ils peuvent lutter contre la corrosion pendant 15 à 20 ans dans les environnements marins.

Dans le LM6, la composition à haute teneur en silicium empêche la corrosion par l'eau salée. Par conséquent, ils continuent à fonctionner à une pression de 50 Mpa dans les produits sous-marins.

Conductivité thermique et électrique

Les alliages comme le 319 ont 6% Si et 3% Cu. Ils conduisent donc la chaleur à 150 W/m-K. C'est ce qui en fait un choix de premier ordre parmi les composants du moteur.

Ils ont également une faible densité, qui est d'environ 2,7 g/cm³. Ils améliorent le rendement énergétique (10%) en raison de leur faible poids, en particulier dans les voitures.

Impact du traitement thermique

Les fabricants effectuent un traitement thermique pour réduire les vides et affiner les grains. Par exemple, l'étape de vieillissement permet d'augmenter la dureté de 80 HB à 95 HB dans des alliages comme l'ADC12.

En outre, le processus de recristallisation (qui se produit sur l'image) entraîne un retrait des grains pouvant atteindre 10 à 20 µm. Il en résulte une résistance accrue à la fatigue de l'alliage (30%).

Nuances d'alliages d'aluminium courantes

A380

L'alliage d'aluminium coulé de l'A380 contient 8-10% de silicium, 3-4% de cuivre et moins de 1% de fer. Les particules de silicium ont un point de fusion plus bas. Cela signifie qu'elles s'écoulent facilement dans les moules, remplissant chaque espace.

La dureté est meilleure grâce aux éléments en cuivre, ce qui les rend idéaux pour les pièces soumises à de fortes contraintes. C'est pourquoi cet alliage de 320 MPa permet de créer des supports de moteur et des boîtiers électroniques.

Il comble correctement les lacunes et provoque également moins de défauts. En outre, cet alliage refroidit plus rapidement, ce qui permet de réduire le temps de production d'environ 15%.

A356

L'alliage A356 contient du silicium et du magnésium (respectivement 7% et 0,3%). C'est pourquoi il offre une meilleure fluidité et une meilleure résistance.

Cet alliage présente une résistance à la traction d'environ 280 MPa et une ductilité de 12%. Ils peuvent donc s'étirer jusqu'à 12% avant de se rompre.

L'alliage a356 peut être utilisé pour fabriquer des roues d'avions et d'automobiles, des pièces de suspension, des trains d'atterrissage d'avions et des cadres d'ailes.

Il a également la propriété unique de résister à des températures de 200°C pendant 500 heures. Même à ce stade, il ne se fissure pas facilement.

Après traitement thermique, cet alliage présente une résistance accrue (20%). Il est donc idéal pour les applications aérospatiales.

6061

L'alliage 6061 est composé de 1% de magnésium, 0,6% de silicium et 0,3% de cuivre. Ces éléments, comme le magnésium, augmentent sa capacité à stopper la corrosion. Cet alliage dure 20 ans à l'extérieur et ne rouille pas.

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La résistance à la traction (310 Mpa) de l'alliage 6061 le rend utile pour les ponts, les poutres et les pièces de châssis comme les bras de suspension et les cadres marins. Sa faible densité contribue à le rendre 60% plus léger que l'acier.

ADC12

Contenant 10-20% de silicium et 2-3% de cuivre, l'alliage ADC12 est très populaire. Le silicium contenu dans ce métal permet un moulage en douceur, tandis que le cuivre augmente sa dureté.

Le traitement thermique entraîne des modifications de la dureté, qui peut atteindre 95 HB. (Brinell). Cet alliage est utilisé pour fabriquer des pièces telles que des blocs moteurs de voitures, des boîtiers de smartphones et des boîtes de vitesses.

Il prend également en charge des profils de formes complexes en 30 secondes, ce qui permet d'économiser jusqu'à 25%.

LM25

L'alliage LM25 est fabriqué en ajoutant 0,3% de magnésium et 7% de silicium. En outre, sa résistance à la traction atteint 260 MPa à 200 °C. Il offre une bonne aptitude au moulage pour la fabrication de corps de pompe, de structures marines et de vannes hydrauliques.

Ses parois moulées dans le sable ne dépassent pas 1 mm d'épaisseur ; c'est ce que permet cette caractéristique unique. Le LM25 convient donc parfaitement à la production de conceptions légères.

LM6

L'alliage LM6 contient 10-13% de silicium et moins de 0,1% de magnésium. En raison de la plus grande quantité de silicium, cet alliage ne se corrode pas facilement. Il peut résister à une pression de 50 MPa dans l'eau de mer.

Les fabricants l'utilisent pour couler des hélices de bateaux et des accessoires de quai. Pendant des années, ils fonctionnent dans l'eau salée sans rouiller. Cela permet également de réduire les coûts de maintenance jusqu'à 40%.

520.0

L'alliage d'aluminium coulable 520.0 contient 10% de magnésium et 0,1% de silicium. Cette proposition d'éléments augmente sa résistance à la traction (380 MPa) et réduit également son poids jusqu'à 50%.

Ils peuvent être utilisés pour fabriquer des supports aérospatiaux, des boîtiers de fusée et des équipements militaires. Une autre de leurs caractéristiques est de supporter des vibrations de l'ordre de 500 Hz, sans présenter de fissures.

319

Cet alliage contient 6% de silicium et 3% de cuivre. Le silicium améliore la fluidité, mais le cuivre permet d'obtenir une meilleure conductivité thermique (150 W/m-K).

Ils sont coulés pour fabriquer des culasses et des dissipateurs thermiques. Ils offrent une précision maximale dans les pièces, de l'ordre de ±0,02 mm, et s'intègrent parfaitement dans les moteurs.

413

L'alliage 413 comprend 12% de silicium et 2% de fer. C'est pourquoi il offre une étanchéité à la pression d'environ 50 MPa. Les pièces, comme les pompes et les valves hydrauliques, sont leurs applications.

En outre, ce joint d'alliage permet de colmater les fuites dans les interstices, qui peuvent être aussi minuscules que 0,5 mm, ce qui permet d'économiser du liquide.

535

Les fabricants ajoutent 7% de magnésium et 0,15% de silicium dans la composition de l'alliage 535. Sa résistance à la corrosion est conforme à l'exactitude dans les environnements de pH 8-10 comme l'eau de mer.

Ils sont utilisés pour produire des coques de navires et des plates-formes offshore, ainsi que pour le soudage à 300°C. Ils ne se fissurent pas à cette température et peuvent durer 25 ans dans des conditions marines.

Procédés de coulée des alliages d'aluminium

Moulage sous pression

Le processus de moulage sous pression consiste à faire fondre l'alliage d'aluminium et à l'injecter dans le moule sous haute pression. Il permet de couler des pièces en 10 à 30 secondes au maximum et le résultat obtenu répond à des paramètres rapides et précis.

Parmi les autres alliages, l'A380 et l'ADC12 sont les plus couramment utilisés pour fabriquer des supports de moteur de voiture et des poignées de porte d'avion.

Moulage au sable

Le procédé de moulage en sable utilise des moules en sable. La taille des grains varie entre 0,10 et 0,5 mm. Ce procédé est adapté à la fabrication de pièces telles que les blocs moteurs. Il est beaucoup plus abordable (50%) que le moulage sous pression, mais il ne permet pas d'obtenir des surfaces lisses.

Moulage à la cire perdue

Coulée en cire perdue comprend des motifs en cire avec des revêtements en céramique. Ils produisent des pièces en ajoutant des éléments détaillés, comme des pales de turbine.

Elle permet également d'obtenir des tolérances plus étroites, de l'ordre de ±0,05 mm, mais prend beaucoup de temps (48 heures par moule).

Défis et solutions dans la fonderie d'aluminium

Défauts de coulée

Les alliages d'aluminium coulables présentent des défauts tels que la porosité et le retrait, qui affaiblissent les pièces. C'est exactement la raison pour laquelle vous devez utiliser la coulée sous vide pour réduire la porosité jusqu'à 70%.

Pour améliorer la rugosité de la surface (jusqu'à 12,5 µm), il est important de procéder à un grenaillage de précontrainte avec des billes de 0,5 mm à une pression de 80 psi.

En outre, le préchauffage des moules avant l'injection de l'alliage en fusion permet d'éviter l'adhérence et de remplir les zones internes avec une meilleure fluidité.

Sélection des alliages

Le choix d'un mauvais alliage peut ruiner l'ensemble du projet. Par exemple, l'A380 convient mieux aux pièces de véhicules à parois minces.

Quant au LM6, il crée un support de résistance qui résiste à l'eau de mer. L'ADC12 comble les petites lacunes en 30 secondes maximum, mais peut se fissurer en cas de surchauffe supérieure à 600°C.

Les défis du traitement thermique

La zone chaude des fours permet de chauffer les alliages. L'utilisation d'une température de 500 °C et d'une durée de fonctionnement de 4 heures leur confère de fortes caractéristiques.

Dans ce processus, le bac de trempe aide à prévenir les fissures en refroidissant les pièces à une vitesse de 10°C/min. La température de refroidissement ne doit cependant pas être mauvaise. En effet, elle peut entraîner une fragilité. Par exemple, une trempe correcte confère à l'alliage 20% la résistance de l'alliage 6061.

Conclusion :

Les alliages d'aluminium coulables sont très importants dans de nombreuses industries telles que l'automobile, l'aérospatiale, l'industrie ou même les produits de consommation. Ils sont légers, ce qui permet de réduire la consommation de carburant.

De plus, leur capacité à stopper la corrosion leur permet de durer plus de 25 ans. C'est aussi la raison pour laquelle ils sont plus exigeants dans les environnements difficiles.

En cas de problèmes tels que le retrait ou la porosité, vous pouvez les résoudre à l'aide de techniques particulières. Fabriquez donc des produits polyvalents en utilisant les alliages d'aluminium de votre choix.