Fabricant de Cff 40 PPI : analyse des défauts et solutions pour les lingots d'alliage d'aluminium moulés
Dans le processus de fabrication des lingots d'alliages d'aluminium moulés, un contrôle inadéquat entraîne souvent l'apparition de divers défauts sur les produits, en particulier dans le cas des alliages aluminium-silicium tels que l'ADC12 et l'A356.
Ségrégation des composants chimiques dans les lingots Le phénomène de répartition inégale des composants chimiques dans les lingots est appelé « ségrégation ». Dans les alliages d'aluminium déformés, la ségrégation comprend principalement la ségrégation intragranulaire et la ségrégation inverse.
Ségrégation intragranulaire dans les lingots d'alliages d'aluminium moulés
Le phénomène de composition chimique inégale au sein des grains dans la microstructure est appelé « ségrégation intragranulaire ».
La caractéristique microstructurale de la ségrégation intragranulaire réside dans le fait que la structure intragranulaire corrodée présente une configuration semblable à celle des cernes d'un arbre. La microdureté varie au sein des grains : elle est élevée à proximité des joints de grains et faible au centre des grains.
L'existence d'une ségrégation intragranulaire rend la composition chimique à l'intérieur du grain et la structure du lingot extrêmement hétérogènes, ce qui nuit gravement aux performances du lingot, notamment :
1. Les irrégularités de composition chimique et la présence d'une phase en excès non équilibrée, dues à la ségrégation dans les cristaux de la solution solide, réduisent la stabilité de l'alliage face à la corrosion électrochimique.
2. La présence d'une composition eutectique hors équilibre ou à bas point de fusion abaisse la température de fusion de l'alliage, ce qui favorise l'apparition d'une surcuisson locale lors de la déformation thermique ou du processus de chauffage de trempe qui s'ensuit.
3. La ségrégation intragranulaire entraîne non seulement l'apparition de phases hors équilibre et augmente le nombre de phases secondaires, mais ces phases à bas point de fusion forment également un réseau de dendrites durs et cassants autour des dendrites cristallins, ce qui réduit considérablement la plasticité et les performances de mise en œuvre du lingot.
4. Les irrégularités de composition chimique dues à la ségrégation intragranulaire se répercutent sur le produit semi-fini, ce qui entraîne la formation de grains grossiers dans le matériau traité après recuit.
La ségrégation intracristalline est due à une cristallisation déséquilibrée. Par conséquent, dans la production réelle d'alliages d'aluminium par coulée continue, la ségrégation intragranulaire est inévitable. Une méthode efficace pour éliminer la ségrégation intracristalline consiste à homogénéiser le lingot pendant une longue durée.
Solutions pour la ségrégation intragranulaire
1. Augmenter la vitesse de refroidissement, recourir à un traitement métamorphique pour affiner les grains et la structure intragranulaire, et limiter l'ampleur de la ségrégation intragranulaire.
2. En recourant à une méthode diamétralement opposée, réduire la vitesse de refroidissement et procéder à une coulée en cavité liquide profonde, similaire à la coulée en lingot, afin de réduire le degré de sursaturation du fer, du manganèse et d'autres éléments, et ainsi diminuer le degré de ségrégation.
3. Choisissez des additifs capables de modifier de manière appropriée les propriétés cristallines de l’alliage. Par exemple, l’ajout d’une quantité appropriée de fer à l’alliage 3A21 réduit la concentration en manganèse dans le bain solide, ce qui atténue la répartition inégale du manganèse au sein des grains. En production réelle, en présence de fer d’impureté, l'ajout de titane contribue à réduire la ségrégation dans les grains de la solution solide de l'alliage 3A21, car les directions de ségrégation du titane et du manganèse sont opposées, et le centre de la dendrite contient du titane, ce qui réduit la différence de concentration entre le centre et la périphérie du grain solide.
Analyse des défauts de ségrégation inverse dans les lingots d'alliage d'aluminium moulés
Le phénomène selon lequel la concentration en soluté à la périphérie du lingot est supérieure à celle observée au centre de celui-ci est appelé « ségrégation inverse ».
Les caractéristiques structurelles de la ségrégation inverse sont difficiles à distinguer de la microstructure et ne peuvent être confirmées que par l'analyse de la composition chimique.
La ségrégation inverse dans les lingots d'alliage d'aluminium est l'une des principales causes des écarts importants observés entre les propriétés mécaniques et physiques des lingots et celles de leurs produits issus d'un traitement sous pression.
Dans les zones où le degré de ségrégation inverse est important, la composition chimique dépasse même les limites fixées par la norme, et les propriétés mécaniques, qui dépassent également les valeurs prescrites, entraînent la mise au rebut du produit.
La ségrégation inverse est un phénomène de mélange qui se produit lors du processus de solidification des lingots continus en alliage d'aluminium ; elle ne peut être ni complètement évitée, ni éliminée par une homogénéisation à haute température.
Solutions pour lutter contre la ségrégation inversée
Toutefois, en tenant compte des règles de formation et des facteurs influençant la ségrégation inverse, il est possible de contrôler la ségrégation des éléments dans les limites autorisées. La solution est la suivante :
1. Améliorer la résistance au refroidissement du lingot.
2. Choisissez une vitesse de coulée appropriée afin que l'angle d'inclinaison de la zone de transition par rapport à la surface du liquide exposée ne soit pas trop important, généralement pas supérieur à 60°.
3. Augmenter progressivement la température de coulée.
4. Utilisez un entonnoir de coulée adapté pour guider le flux de manière uniforme et le diriger vers le bord du lingot.
Inclusions gazeuses et non métalliques dans les lingots d'alliages d'aluminium moulés
Inclusions non métalliques (inclusions de scories)
Les scories mélangées au lingot ou toute autre impureté non métallique qui s'y introduit sont appelées « inclusions non métalliques ».
Les caractéristiques de fracture se présentent sous forme de bandes ou de lamelles noires, et la microstructure se compose principalement de structures désordonnées noires, linéaires, en blocs ou floconneuses, qui présentent une différence de couleur manifeste par rapport au substrat.
Les inclusions non métalliques constituent une cause majeure de délamination et de nombreux défauts de surface dans les produits transformés en aluminium.
Au cours du traitement thermique et du chauffage, la présence d'inclusions non métalliques peut favoriser l'apparition d'une porosité secondaire et la formation de bulles.
En termes de propriétés mécaniques, les inclusions non métalliques constituent des points de concentration des contraintes, ce qui réduit la limite de résistance et l'allongement de l'alliage.
En particulier, la diminution de l'allongement transversal et des propriétés mécaniques dynamiques (résistance aux chocs, résistance à la fatigue et ténacité à la rupture) est plus marquée.
De plus, les inclusions non métalliques réduisent également la résistance de l'alliage à la corrosion sous contrainte.
On observe généralement des inclusions non métalliques (inclusions de scories) lors de l'inspection d'échantillons de faible taille prélevés sur le lingot.
La norme YS67-1993 stipule que, pour tous les produits en alliage, l'échantillon de lingot ne doit pas comporter plus de deux points de scories, dont la surface de chacun doit être inférieure à 0,5 mm² ; dans le cas contraire, l'échantillon sera rejeté.
Les inclusions non métalliques (inclusions de scories) constituent les impuretés les plus fréquentes dans les lingots d'alliages d'aluminium.
Selon les statistiques, en termes de qualité, les lingots mis au rebut en raison d’inclusions de scories représentent entre 10% et 25% du total des déchets. Les inclusions de scories sont généralement causées par des scories, des fragments de revêtement et des oxydes de grande taille qui pénètrent dans le lingot avec le métal en fusion au cours du processus de coulée.
Méthode de prévention des inclusions de scories
AdTech propose des unités de purification d'aluminium fondu en ligne, telles que équipement de dégazage en ligne, équipement de filtration à plaques. L'unité de dégazage en ligne remplit deux fonctions : le traitement et le chauffage. Elle permet d'éliminer l'hydrogène (H) et les scories de l'aluminium fondu. L'équipement de filtration CFF est adapté à la filtration des inclusions et des petites particules présentes dans l'aluminium fondu.
1. Effectuer un raffinage minutieux afin de garantir le temps de repos, et Filtre CFF dans l'équipement de filtration CFF.
2. Réduire autant que possible la distance de transfert, mettre en place de bonnes conditions de transfert, fermer toutes les ouvertures dans le canal d'écoulement, la plaque d'écoulement et l'entonnoir afin d'éviter les fluctuations du niveau de métal. Il est préférable d'utiliser, dans la mesure du possible, une coulée de même niveau.
3. Cuire soigneusement l'outil de transfert, augmenter correctement la température de coulée, éliminer minutieusement les scories pendant le processus de coulée et nettoyer soigneusement le four, la plaque d'écoulement et les autres outils après la coulée.
4. Utilisez une charge propre.
Analyse des défauts de la couche d'oxyde dans les lingots d'alliage d'aluminium moulés
Selon la définition de la norme YS/T417.1-1999, le film d'oxyde désigne les inclusions non métalliques et les gaz non exclus (principalement de l'hydrogène) qui se composent essentiellement d'oxyde d'aluminium dans le lingot.
Par conséquent, le film d'oxyde est une forme particulière de défaut constitué d'inclusions non métalliques dans le lingot, mais il se distingue des inclusions de scories. Il est impossible de le détecter lors de l'examen à faible grossissement de l'échantillon d'essai et de la structure de rupture du lingot ; il ne peut être mis en évidence qu'à l'aide d'échantillons spéciaux préparés de manière artisanale (par refoulement des échantillons de lingot).
Le film d'oxyde observé sur la surface de fracture de l'échantillon issu du procédé de coulée en lingot peut être classé, de manière générale, en trois types
L'un de ces types est un film d'oxyde en feuille de couleur jaune clair, marron ou marron foncé.
Le premier type est le “ sparkle ”, qui présente une surface blanche et brillante, semblable à celle d'un film d'oxyde en feuille.
L'autre type se présente sous la forme de “ petites taches brillantes ” d'un éclat blanc argenté, de forme ronde ou ovale.
Lorsque la masse fondue se cristallise, les micropores formés dans la dendrite après cristallisation sont lâches en raison d'un apport insuffisant de métal liquide entre les dendrites de la matrice ou de la présence de gaz non évacué (principalement de l'hydrogène).
Les pores résultant d'un remplissage insuffisant sont appelés « porosité de retrait » ; ceux causés par la présence de gaz sont appelés « porosité gazeuse ».
La structure macroscopique friable se caractérise par la présence de petits trous noirs, tandis que la structure de la fracture se caractérise par un tissu rugueux et peu dense. Lorsque la friabilité est importante, de petites taches blanches brillantes apparaissent sur la fracture.
La microstructure se caractérise par la présence de trous noirs anguleux : plus le relâchement est important, plus le nombre de trous noirs est élevé et plus leur taille est grande.
Le relâchement réduit la densité du lingot ainsi que les propriétés mécaniques de l'alliage d'aluminium à haute résistance, notamment sa ténacité à l'impact et son allongement latéral.
De plus, les lingots mal compactés provoqueront des fissures lors du laminage à chaud et du forgeage, et les produits semi-finis présenteront des bulles lors du recuit de sphéroïdisation.
Par conséquent, il convient d'éviter le relâchement, qui constitue un défaut organisationnel majeur des lingots. Il faut contrôler rigoureusement le relâchement constaté dans le lingot. Si celui-ci dépasse le niveau autorisé par la norme, le lingot sera rejeté.
Le degré de porosité d'un lingot d'alliage d'aluminium peut généralement être déterminé en mesurant la densité de l'échantillon et en la comparant à la densité théorique de l'alliage.
Solution de film d'oxyde
Compte tenu du processus de formation et des facteurs influant sur le relâchement, la méthode permettant d'éviter que le lingot ne se relâche est la suivante :
1. Réduire la teneur en gaz de la masse fondue. Pour cela, il convient principalement de procéder comme suit :
1. Le four est grand et il faudra le nettoyer à fond après la mi-réparation.
2. Le préchauffage et la cuisson de l'agent d'affinage et des outils de coulée doivent être effectués de manière rigoureuse.
3. L'affinage doit être minutieux ; (4) Pour éviter que la masse fondue ne reste trop longtemps dans le four.
Réduire la taille de la zone de transition dans le lingot. Les principales mesures sont les suivantes :
La porosité du lingot continu en alliage d’aluminium se répartit toujours dans la zone cristalline équiaxe, avec une large zone de transition, et est toujours remplie de gaz. Dans des conditions normales, la plus grande zone poreuse du lingot plat se situe à moins de 30 mm de la couche superficielle large. La plus grande zone de porosité de la lingote se situe au centre de celle-ci et s’étend vers les côtés à mesure que la hauteur du cristallisoir augmente. Les conditions d’alimentation en eau ont une grande influence sur la répartition de la porosité et peuvent enfreindre les règles ci-dessus et entraîner une porosité maximale dans certaines zones localisées.