GÉNÉRALITÉ SUR LES TECHNOLOGIES DE MOULAGE

Le moulage à l’état semi-solide des métaux, que l’on nomme «procédé de rhéomoulage », se distingue des procédés traditionnels en liquide puisque la matière injectée est un mélange des deux phases liquide et solide. L’utilisation d’une pâte semisolide, comme matière brute pour la mise en forme, a été envisagée pour la première fois par l’équipe de Flemings à la suite d’expériences réalisées sur un alliage binaire de plomb-étain [5]. En fait, jusqu’au début des années 1970, les produits en métaux étaient fabriqués de deux façons; soit travaillés à l’état solide (extrusion, laminage, pliage, forgeage, etc.) ou bien coulés à l’état liquide par des procédés traditionnels comme le moulage en sable, en coquille, sous-pression, etc.

On considérait alors que les pâtes semisolides ne résisteraient pas aux déformations puisque leur structure dendritique favoriserait les déchirures à chaud et la ségrégation [5]. C’est d’ailleurs en étudiant les déchirures à chaud que Spencer et Flemings ont observé qu’en agitant un alliage durant son refroidissement, la structure de solidification prend une forme globulaire [6]. Ils ont du même coup mesuré que les particules solides en suspension dans le liquide avaient des caractéristiques rhéologiques particulières permettant de cisailler uniformément la pâte avec peu d’effort. Leurs travaux ont démontré qu’il fallait une structure globulaire des particules solides pour permettre une déformation facile sous l’action de faibles contraintes. En effet, la principale caractéristique rhéologique des métaux semi-solides est leur comportement « rhéofluidifiant ». Ce comportement pourrait se traduire en disant que la viscosité apparente de la pâte diminue lorsqu’il y a une augmentation de la vitesse de cisaillement. D’ailleurs, cette caractéristique est spécifique aux procédés de mise en forme tels que le rhéoformage et le rhéomoulage dont le matériel d’entrée constitue une pâte semi-solide.

La figure 1 compare les différents mécanismes de solidification associés aux principaux procédés de coulée. On y distingue clairement la particularité des procédés semi-solides soit le rhéomoulage et le thixomoulage {Rheocasting et Thixocasting), tous deux associés à une microstructure comprenant des particules de forme globulaire. En comparaison, le mécanisme de solidification des procédés traditionnels en mode liquide ne permet que de produire des particules en forme de dendrites. Le moulage traditionnel sous-pression, qui est connu sous l’acronyme « HPDC » pour High Pressure Die Casting, est le procédé de mise en forme le plus répandu pour la fabrication de grandes séries de pièces d’aluminium ayant des geometries complexes. La principale contrainte lors du moulage sous-pression est la turbulence générée par le métal liquide lors du remplissage des cavités du moule, qui peut engendrer des sites d’emprisonnement d’air dans la structure de la pièce solidifiée. En comparaison, le procédé de rhéomoulage se distingue par le déplacement laminaire du matériel semisolide [8]. Comme le montrent les résultats de simulation de moulage sous-pression de la figure 2, le comportement rhéofluidifiant de la pâte semi-solide est vraiment différent du mode liquide. Le comportement laminaire du matériel injecté dans le moule nécessite donc de nouvelles approches de programmation des paramètres d’injection.

LES PROCÉDÉS DE MOULAGE EN SEMI-SOLIDE

Le moulage sous-pression traditionnel est très reconnu pour la fabrication de composantes mécaniques en aluminium nécessitant des geometries complexes. En Amérique du Nord, environ 70 % des pièces d’aluminium sont moulées sous-pression. Or, depuis quelques années, de nouveaux procédés de mise en forme alimentés par des pâtes semi-solides, aussi appelés lopin (slurry), sont utilisés dans la fabrication de pièces spécialisées destinées au marché automobile. L’un des avantages des procédés semisolides est le moulage de pièces dont la microstructure est seine et globulaire, permettant d’obtenir des allongements à la rupture significativement supérieure à ceux des pièces produites à partir de métal liquide [9], Le caractère thixotrope des pièces semi-solide a permis d’envisager de nouvelles opportunités de mise en forme. Au repos, les matériaux semi-solides ayant des fractions solides supérieures à 40 % peuvent supporter leur propre poids et être manipulés sans contenant, tel un solide mou. C’est dans le but d’exploiter cette caractéristique que Flemings a rapidement proposé une nouvelle gamme de procédés de mise en forme, soit le thixoformage [6]. La figure 3 schématise les différentes routes de procédés en semisolides. Pour le thixoformage, des billettes solides sont d’abord coulées par procédé électromagnétique afin d’obtenir la microstructure globulaire désirée. Celles-ci sont ensuite réchauffées pour atteindre l’état semi-solide et pour former un lopin qui sera introduit pour sa mise en forme par thixoforgeage, thixomoulage ou thixoextrusion.

Le procédé de rhéomoulage SEED

Le procédé SEED a été breveté par Rio Tinto Alcan en 2002 [3]. Commercialisée depuis 2006, cette technologie est maintenant utilisée en industrie. Les principales étapes du procédé SEED sont montrées dans les schémas de la figure 5. Son principe de fonctionnement est simple et combine les avantages de l’efficacité d’un transfert de chaleur produit par un contact physique, tout en réduisant les sources de contamination et la turbulence excessive. Les bénéfices de l’agitation et de la germination multiple sont simultanément utilisés afin de produire des globules primaires de phase a-Al. Le principal avantage du procédé SEED est qu’il ne requiert pas de contrôle de température sophistiqué [23]. Ainsi, la masse effective du godet en acier définie par l’épaisseur de sa paroi est prédéterminée afin de permettre le transfert de chaleur pour atteindre l’équilibre thermique [23]. La préparation du mélange semi-solide peut être divisée en trois étapes. Premièrement, le volume désiré d’aluminium liquide est versé dans un creuset d’acier, appelé godet, dont la masse thermique est suffisante pour refroidir le mélange [24]. Par la suite, le godet et son contenu sont agités par un mouvement de rotation excentrique à une vitesse de 100 à 200 RPM. L’excentricité de la rotation est de l’ordre de 10 à 15 mm. Le mouvement permet d’abord d’obtenir une structure globulaire en distribuant uniformément la phase a-Al générée sur les parois du godet, mais favorise également l’équilibre thermique.

La durée de cette étape dépend de la dimension du godet, de la masse de la charge et de l’alliage. Elle est généralement de 30 à 60 secondes pour des grosseurs typiques allant de 70 mm à 110 mm et des masses se situant entre 1,5 kg et 6 kg [25]. D’autres essais ont démontré la faisabilité de produire des lopins encore plus gros pouvant atteindre jusqu’à 50 kg, correspondant à la masse d’un petit bloc moteur [2]. La seconde étape du procédé consiste à la phase de repos et drainage. Il faut noter que dans certains cas, l’étape du drainage est optionnelle selon la dimension du lopin et l’alliage utilisé. À cette étape, le mouvement de rotation est arrêté et une brève période de pause de 5 à 10 secondes est maintenue. Dans le cas de drainage, un trou au bas du godet est ouvert permettant à une partie du liquide eutectique de s’écouler. Le drainage se continue jusqu’à ce que le matériel dans le godet se contracte des parois et/ou jusqu’à ce que le liquide cesse de couler. Le drainage permet d’augmenter la fraction solide plus rapidement. Cette étape prend typiquement entre 20 et 45 secondes et la quantité drainée varie de 10% à 30% selon les conditions du procédé et de la fraction solide visée. Cependant, tel que mentionné dans le brevet du procédé, l’étape de drainage peut ne pas être utilisée en fonction des besoins rhéologiques ou du type d’alliage [3].

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Table des matières

RESUME
SUMMARY
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1. CONTEXTE DE L’ÉTUDE
1.2 PROBLÉMATIQUE
1.3 OBJECTIFS DE RECHERCHE
1.4 MÉTHODOLOGIE
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1 GÉNÉRALITÉ SUR LES TECHNOLOGIES DE MOULAGE
2.2 LES PROCÉDÉS DE MOULAGE EN SEMI-SOLIDE
2.2.1 Le procédé « New Rheocasting Process » (NRC)
2.2.2 Le procédé de rhéomoulage SEED
2.2.3 Caractéristiques des alliages semi-solides
2.2.4 Alliages communs de fonderie utilisés en semi-solide
2.2.5 Autres alliages utilisés en semi-solide
2.2.6 Caractéristiques des alliages de la famille Al-Cu
2.2.6.1 Composition chimique et traitement thermique
2.2.6.2 Propriétés mécaniques et applications
2.2.6.3 Déchirures à chaud
2.2.6.4 Calcul de l’indice de qualité
2.2.7 Système ternaire Al-Cu-Si
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE
3.1 TECHNOLOGIE DE MISE EN FORME EN SEMI-SOLIDE
3.2 ÉVALUATION DES DÉCHIRURES À CHAUD
3.3 ÉTUDE DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
3.3.1 Plan d’essai
3.3.2 Production des pièces et essais mécaniques
CHAPITRE 4 RÉSULTATS
4.1 SENSIBILITÉ AUX DÉCHIRURES À CHAUD
4.2 MICROSTRUCTURE
4.3 PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
4.3.1 Résultats des essais en traction
4.3.2 Résultats des essais mécaniques en fatigue
CHAPITRE 5 ANALYSE ET DISCUSSIONS
5.1 PROCESSUS DE SOLIDIFICATION
5.2 RÉDUCTION DES DÉCHIRURES À CHAUD
5.3 PERFORMANCE DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES
5.3.1 Essais approfondis sur l’impact d’une concentration de fer plus élevée
CHAPITRE 6 CONCLUSION
6.1 CONCLUSION
6.2 RECOMMANDATIONS
RÉFÉRENCES
ANNEXE I PUBLICATION EXTERNE S2P-2010
ANNEXE II CALCULS THERMODYNAMIQUES
ANNEXE III DÉTAILS DES CALCULS STATISTIQUES
ANNEXE IV EFFETS DES INTERACTIONS Si-Fe-Cu