Propriétés des pièces moulées en alliage d'aluminium

Parce que les deux alliages de fonderie d'aluminium et leurs équivalents corroyés obtiennent leurs qualités souhaitées grâce à des éléments d'alliage et à un traitement thermique, ils sont chimiquement très similaires. Une caractéristique distinctive entre les deux est l'absence d'écrouissage au cours du processus de développement des propriétés de coulée. En raison de cette disparité, certains éléments d'alliage utilisés dans les alliages de fonderie et les alliages corroyés jouent des rôles différents.

La coulabilité d'un alliage de fonderie d'aluminium est le principal critère permettant de le distinguer d'un alliage corroyé. Les alliages coulés présentent des difficultés distinctes par rapport aux produits corroyés, qui sont généralement fabriqués à l'aide de techniques de coulée privilégiant les sections transversales rondes ou rectangulaires. Des considérations particulières concernant le comportement des alliages au cours de la solidification sont nécessaires pour les pièces moulées techniques présentant des géométries complexes et des vitesses de solidification variables. Pour limiter ces tendances, il est nécessaire de sélectionner les alliages pour le moulage de forme de manière à prévenir la fissuration pendant et après la solidification et à atténuer le retrait interne.

Le mot "coulabilité" est un facteur clé pour déterminer si une composition peut être solidifiée dans un certain processus de coulée, ce qui est nécessaire pour s'assurer que des coulées parfaites sont réalisées. Plusieurs facteurs influencent la capacité à couler quelque chose par gravité. Il s'agit notamment de la fluidité, qui mesure la capacité de remplissage du moule, de la résistance à la fissuration à chaud pendant et après la solidification, et des caractéristiques d'alimentation qui facilitent l'écoulement du métal pendant la solidification, ce qui réduit le risque d'apparition de vides de retrait.

Il est possible de mesurer et de définir avec précision la fluidité dans la coulée par gravité, car il s'agit d'un facteur à multiples facettes. Les températures supérieures au liquidus ou le degré de surchauffe ont le plus d'impact sur cette caractéristique. Il est courant que les compositions eutectiques ou quasi eutectiques présentent une plus grande fluidité à des températures de remplissage normales.

Pour le moulage sous pression, les éléments qui rendent un produit coulable sont sa capacité à résister à la fissuration à chaud, à l'écoulement, au soudage sous pression et à la finition de la surface. Chacun de ces éléments est très important pour le bon fonctionnement du processus de moulage. Il est important de trouver le bon équilibre entre ces facteurs pour s'assurer que les pièces moulées sont exemptes de défauts, qu'elles répondent aux besoins des différentes méthodes de moulage et que le produit final reste solide.

Des bandes solidus-liquidus étroites sont souvent liées à de meilleures propriétés d'alimentation, en particulier lorsqu'il y a un pourcentage plus élevé de liquide à la température eutectique. Les effets des éléments sur la résistance à haute température et la vitesse de solidification sont les principaux éléments qui déterminent la probabilité qu'un produit se solidifie et se fissure une fois qu'il s'est solidifié.

La chimie des métaux a beaucoup à voir avec le brasage sous pression, qui est une partie importante de la coulée. Toutefois, l'état de la matrice et d'autres facteurs du processus sont également très importants. Les grades de coulabilité, qui vont de A à F ou de 1 à 10, c'est-à-dire d'"excellentes caractéristiques de coulée" à "mauvaises caractéristiques de coulée", sont le fruit d'une longue pratique.

Les alliages de fonderie qui contiennent plus de silicium que la plupart des alliages corroyés sont très utilisés, en particulier pour les gros volumes. L'ajout de silicium aux moules façonnés les rend plus fluides, moins susceptibles de se fissurer à haute température et plus faciles à alimenter. Les différentes méthodes de moulage nécessitent des quantités différentes de silicium pour obtenir les meilleurs résultats. Les procédés qui utilisent beaucoup de chaleur préfèrent les métaux qui contiennent plus de silicium, ce qui les rend plus fluides. Le processus de coulée contrôle les gradients dans la zone de solidification, qui affectent le mécanisme d'alimentation. Ce mécanisme est très important pour équilibrer la contraction interne. En général, les métaux dont la zone de solidification est plus petite sont plus faciles à couler.

Même s'ils conviennent parfaitement au moulage, de nombreux alliages d'aluminium de fonderie populaires ne dépendent pas uniquement du silicium. L'un des avantages de l'aluminium est qu'il peut être recyclé. Cela a conduit à la création d'alliages de fonderie spécialement conçus pour fabriquer des objets à partir de déchets refondus. Ces formules "secondaires" présentent des gammes d'impuretés plus larges, car elles incluent davantage d'éléments en tant qu'impuretés pour tenir compte des différences entre les matières premières. Les alliages primaires, quant à eux, sont fabriqués à partir d'aluminium fondu, de métaux industriels et d'alliages mères. Ils présentent des limites plus strictes pour les impuretés liées aux éléments.

Avantages et limites des pièces moulées en alliage d'aluminium

La production de pièces moulées en alliage d'aluminium met en valeur un large éventail d'alliages, soulignant la grande polyvalence des caractéristiques réalisables. L'Association de l'aluminium enregistre plus de 100 compositions, tandis qu'à l'échelle mondiale, plus de 300 alliages sont utilisés. Au-delà de la polyvalence offerte par les structures à matrice métallique et autres structures composites, ces alliages présentent une gamme variée de propriétés, notamment :

Résistance à la traction, ksi (MPa) 10-72 (70-505)
Limite d'élasticité, ksi (MPa) 3-65 (20-455)
Élongation, % <1-30
Dureté, HB 30-150
Conductivité électrique, %IACS 18-60
Conductivité thermique, Btu - in./h - ft2 - °F à 77 °F
(W/m - K à 25 °C)
660-1155 (85-175)
Limite de fatigue, ksi (MPa) 8-21 (55-145)
Coefficient de dilatation thermique linéaire
à 68-212 °F (20-100 °C)
9.8-13.7 [1] 10-6/°F
(17.6-24.7) [1] 10-6/°C)
Résistance au cisaillement, ksi (MPa) 6-46 (42-325)
Module d'élasticité, 106 psi (GPa) 9,5-11,2 (65-80)
Densité 2,57-2,95

La capacité de fabriquer des pièces presque précises avec des dimensions exactes, une finition de surface régulée, des géométries complexes, y compris des passages internes, et des propriétés conformes aux normes d'ingénierie spécifiées constitue des avantages notables en matière de fabrication, comme indiqué ci-dessous.

• Dans de nombreux cas, des assemblages soudés ou assemblés à plusieurs composants peuvent être remplacés par une seule pièce moulée.
• La réduction des besoins d'usinage permet de réaliser des économies de temps et d'argent.
• Les pièces moulées en alliage d'aluminium présentent des variations contrôlées dans la finition du moulage.
• Les contrastes entre les finitions coulées et usinées peuvent être mis en évidence pour créer des effets cosmétiques agréables.
• Les besoins en capitaux sont généralement inférieurs à ceux des produits corroyés.
• Les options d'outillage vont des modèles simples aux matrices complexes en acier à outils, pour répondre à la diversité des exigences des produits et des volumes de production.
• Le moulage de routine comprend des pièces bimétalliques liées métallurgiquement ou mécaniquement.
• Les pièces en aluminium sont moulées selon divers procédés qui offrent une grande souplesse en termes de volume, de productivité, de qualité, de mécanisation et de capacités spécialisées.
• La plupart des alliages de fonderie d'aluminium sont conformes aux exigences des fonderies, ce qui garantit la production de pièces de haute qualité.
• Plusieurs alliages de fonderie d'aluminium présentent une excellente fluidité, ce qui facilite le moulage de sections fines et de détails complexes.
• Des températures de fusion plus basses pour les alliages de fonderie d'aluminium contribuent à l'efficacité énergétique.
• Les procédés de moulage de l'aluminium se prêtent à des niveaux élevés d'automatisation, bien que certaines limitations s'appliquent, comme les défis posés par les sections très minces qui peuvent ne pas être moulées.

Les pièces moulées en alliage d'aluminium se heurtent à des limites de taille pratiques dans des processus de moulage spécifiques, influencés par le comportement de solidification de certains alliages qui peuvent entraver le moulage dans des configurations techniques complexes ou des méthodes de moulage spécialisées. Malgré la simplicité et la faible intensité capitalistique du processus de moulage par rapport à la production de pièces forgées, d'extrusions et de produits laminés, la solidification dans des formes géométriques complexes, à l'instar d'autres options de fabrication, peut entraîner des discontinuités de surface et des caractéristiques de microstructure interne avec des degrés de qualité variables, influençant par la suite les propriétés et les performances.

En particulier, les alliages d'aluminium moulés peuvent présenter des propriétés de traction comparables à celles de la plupart des pièces forgées, des extrusions et des plaques laminées. Les caractéristiques distinctives des produits corroyés, telles que les structures de grains finement recristallisés avec une anisotropie spécifique et des caractéristiques microstructurales hautement texturées, se traduisent souvent par une plus grande ductilité dans les directions longitudinales par rapport aux pièces moulées avec des structures de grains plus grossiers. Inversement, la structure de grain typiquement uniaxiale et l'absence d'anisotropie dans les structures moulées simplifient le travail des ingénieurs concepteurs, éliminant les défis associés aux limitations des propriétés transversales.

Quels sont les matériaux utilisés pour le moulage sous pression de l'aluminium ?

Lorsqu'il s'agit de mouler de l'aluminium sous pression, le choix du matériau influe considérablement sur les caractéristiques et la fonctionnalité des composants finaux. De nombreux alliages d'aluminium répondent à des besoins spécifiques. Un certain nombre de critères, tels que la solidité, la résistance à la corrosion, la conductivité thermique et les caractéristiques de moulage, déterminent la sélection de ces alliages. Voici quelques-uns des types de matériaux les plus courants utilisés dans le moulage sous pression de l'aluminium :

Spécifications des pièces coulées en alliage d'aluminium

Différentes règles et spécifications s'appliquent aux alliages de fonderie d'aluminium. C'est particulièrement vrai aux États-Unis, où l'Aluminum Association assure le suivi de la chimie des alliages et des pratiques en matière de température. Les normes et les exigences en matière d'approvisionnement sont définies et appliquées par des groupes tels que l'ASTM, l'armée et les agences fédérales. Les procédures couvertes par ces normes comprennent l'inspection radiographique et par ressuage, les techniques d'essai pour déterminer les propriétés chimiques, mécaniques et physiques, ainsi que d'autres étapes importantes. Souvent, l'acheteur modifie les spécifications pour les adapter à certaines pièces ou à certains groupes de pièces. Il est très important que le producteur de fonte et le client se mettent d'accord sur les spécifications et les exceptions avant l'achat.

Les spécifications des formules des alliages d'aluminium comprennent des éléments majeurs, mineurs et des impuretés, chacun d'entre eux ayant une fonction différente :

Les principaux éléments d'alliage : Ils définissent les fourchettes qui déterminent la qualité du métal et l'évolution de ses propriétés au fil du temps.

Éléments mineurs dans les alliages de fonderie d'aluminium : ils modifient le mode de solidification de l'alliage, la structure de l'eutectique, les phases principales, la taille et la formation des grains, ainsi que le développement des phases. En outre, ils contribuent à la réduction de la pollution.

Les éléments d'impureté : Ils influencent la facilité avec laquelle le matériau peut être moulé et l'insolubilité des phases, ce qui peut parfois favoriser ou entraver les qualités souhaitées.

Même si les spécifications des alliages de fonderie d'aluminium ne précisent pas exactement quelles sont les meilleures concentrations et relations pour les éléments majeurs, mineurs et les impuretés, les chimies nominales ne promettent pas automatiquement les meilleurs résultats. Dans certaines limites chimiques, les éléments qui contrôlent la structure peuvent être ajoutés seuls ou en groupes. Cela est particulièrement vrai lorsqu'ils ne sont pas spécifiquement mentionnés dans la rubrique "Autres éléments".

Vous pouvez donner des rapports stœchiométriques pour la formation de phases préférées, mais ils ne sont pas toujours clairs ou contrôlés. Les limites de concentration vous donnent la liberté de modifier la composition pour améliorer la coulabilité et la croissance des propriétés. Il est possible d'obtenir les quantités les plus élevées d'éléments formant des phases de durcissement afin d'obtenir les matériaux les plus résistants. Pour une meilleure ductilité, en revanche, il faut des structures plus fines, des quantités plus faibles d'éléments insolubles et un contrôle minutieux des niveaux d'impureté pour encourager la formation des constituants intermétalliques les moins nocifs. L'orientation de la composition peut être définie lors de l'achat du lingot ou peut se produire lorsque l'alliage est modifié dans la forge.

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