Fonte d'aluminium : propriétés, procédés et applications

L'aluminium moulé est une forme d'aluminium mise en forme par fusion et coulée dans un moule pour créer des formes complexes. Cet article présente ses principales propriétés, ses familles d'alliages et ses différentes applications dans divers secteurs.

Pourquoi choisir l'aluminium moulé ? Principales propriétés

Haute fluidité et bas point de fusion :

L'aluminium moulé présente une grande fluidité, ce qui lui permet de remplir facilement les moules pour prendre la forme souhaitée. Grâce à son point de fusion bas, sa transition de l'état solide à l'état liquide nécessite moins d'énergie.

Bonne coulabilité :

Grâce à sa bonne coulabilité, le métal peut facilement remplir les moules et reproduire avec précision les dimensions de la forme souhaitée, garantissant des résultats cohérents et sans défauts.

Conductivité thermique et faible densité :

L'aluminium moulé présente des taux de refroidissement rapides, grâce à sa conductivité thermique efficace, ce qui permet de produire des matériaux en grandes quantités.

Sa faible densité permet également une utilisation aisée pour différents types de conceptions et une manipulation aisée. Sa légèreté évite aux structures de supporter un poids important sans compromettre leurs performances.

Microstructure et propriétés mécaniques :

La microstructure de l'aluminium moulé se forme lors de sa solidification. On distingue deux phases, appelées structure monophasée et structure biphasée.

Dans la structure monophasée, des dendrites a primaires se forment, qui peuvent être contrôlées pour aider à améliorer la résistance mécanique du métal.

La structure biphasée se retrouve dans les alliages Al-Si (silumine), où le silicium forme une structure eutectique avec l'aluminium. Celle-ci peut ensuite être modifiée avec un autre alliage pour améliorer la ductilité du métal.

Principales familles d'alliages d'aluminium moulés

L'aluminium moulé est largement utilisé dans divers domaines en raison de sa durabilité et de sa résistance. Chaque famille d'alliages est basée sur différents métaux d'alliage, l'aluminium étant le métal prédominant. En voici quelques exemples :

Al-Si (Silumine) :

Ce sont les plus utilisés de tous matériaux moulés en aluminium Grâce à leur faible retrait lors de la solidification, à leur résistance à l'usure et à leur remarquable fluidité, le silicium naturel peut être tranchant et cassant. Pour y remédier, de petites quantités de modificateurs, comme le sodium, sont ajoutées afin de réduire les fissures et les risques de défaillance.

• AlSi10Mg : Cet alliage est composé d'environ 10% de silicium et d'un peu de magnésium. Il est idéal pour des applications telles que l'impression 3D et le moulage classique. Lorsqu'il est chauffé, de petites particules de magnésium se forment.2Ils aident l'alliage à devenir plus résistant, c'est pourquoi il est utilisé dans les avions et les appareils médicaux.

   

• A356 (AlSi7Mg) : Cet alliage contient environ 7% de silicium et jusqu'à 0,5% de magnésium. Il est idéal pour les pièces nécessitant légèreté et résistance à la corrosion. Il est donc particulièrement adapté aux pièces d'avion et aux équipements marins.
  

A380/A383 :

Ces alliages sont principalement utilisés comme alliages de moulage sous pression à usage général. L'A383 contient plus de silicium et moins de cuivre que l'A380. Tous deux contiennent du fer, qui peut former des composés cassants s'il n'est pas contrôlé avec soin.

Alliages hautes performances (par exemple, 360, A360, 7075, AT237) :

Ces alliages hautes performances sont couramment utilisés dans les applications où les matériaux requièrent une meilleure résistance mécanique et à la corrosion. Ils conviennent aux composants situés à proximité des moteurs de véhicules ou aux enceintes contenant des équipements sensibles.

Procédés de moulage et sélection des alliages

Moulage sous pression, moulage au sable, moulage à la cire perdue, HPDC :

Le moulage sous pression et le HPDC sont des procédés rapides et à haut volume. Dans ce procédé, l'aluminium fondu est coulé sous haute pression dans un moule métallique. Ces procédés sont particulièrement adaptés aux structures complexes à parois minces, telles que les boîtiers électroniques. Les alliages utilisés doivent présenter une fluidité et une solidification rapides, comme pour l'A380 et l'A383.

Le moulage au sable, en revanche, est une méthode lente et à faible volume. Il est particulièrement adapté à la production de pièces comme les blocs-moteurs. Les moules en sable sont généralement faciles à façonner et peu coûteux à produire. Pour utiliser ce procédé, les alliages d'aluminium doivent présenter une bonne coulabilité et une bonne résistance à la fissuration à haute température.

Pour la fonderie à cire perdue, on utilise un modèle en céramique et un moule en cire. Ce procédé est principalement utilisé dans les industries aérospatiale et médicale pour produire des pièces d'équipement de petite taille et de précision. Utilisé pour former des formes complexes, les alliages utilisés doivent pouvoir former des surfaces nettes et sans défaut.

Influences sur la fluidité :

La fluidité du métal en fusion est sa capacité à remplir un moule avant de devenir solide. Le procédé de coulée et l'alliage utilisé influencent la fluidité, tout comme des facteurs de conception tels que les systèmes d'injection et l'oxydation de surface.

• Composition de l'alliage : Les alliages d'aluminium à forte teneur en silicium, comme les alliages Al-Si, ont tendance à présenter une meilleure fluidité grâce à leurs plages de fusion plus basses. Bien que le magnésium et le cuivre améliorent la résistance des alliages, ils ont également tendance à réduire leur fluidité.
• Système de porte : Il s'agit de chemins en réseau qui guident le métal en fusion dans le moule. Mal conçus, ils peuvent affecter la fluidité de l'écoulement du métal en fusion avant d'atteindre le moule. De plus, s'ils ne sont pas correctement isolés, le métal en fusion peut perdre de la chaleur trop rapidement, ce qui peut entraîner un remplissage incomplet du moule.
• Films d'oxyde : Ce sont de petits amas qui se forment rapidement à la surface du métal en fusion lorsqu'il est exposé à l'air. Ces amas fins peuvent obstruer les canaux étroits lorsqu'ils sont nombreux, empêchant ainsi le métal en fusion de bien s'écouler. Ils peuvent également augmenter la viscosité de l'alliage fondu.

Microstructure et défauts :

Les microstructures formées lors du processus de solidification varient en fonction de la vitesse de refroidissement, du procédé de coulée ou de toute modification. La plupart des alliages d'aluminium coulés se solidifient avec des structures dendritiques. Des processus de refroidissement plus rapides, comme en moulage sous pression, contribuent à la formation de dendrites plus fines, connues pour améliorer les propriétés mécaniques.

Cependant, il existe des défauts courants qui peuvent être trouvés dans les microstructures coulées.

• Porosité: Ce phénomène peut se produire lorsque des gaz sont piégés pendant le processus de solidification ou lorsque l'alimentation en métal fondu est insuffisante dans les sections plus épaisses, ce qui entraîne des cavités. Le produit final est alors beaucoup plus fragile que prévu.
• Inclusions : Il s'agit de particules solides indésirables ou de films qui se retrouvent emprisonnés dans le métal lors du processus de coulée. Certaines inclusions peuvent être chauffées à très haute température pour les dissoudre. Cependant, les inclusions non métalliques peuvent être très difficiles à éliminer, et celles-ci sont les plus courantes.

Propriétés mécaniques de l'aluminium moulé par rapport à l'aluminium forgé

Bien que l'aluminium moulé soit largement utilisé en raison de sa rentabilité, il existe des différences notables dans les propriétés mécaniques par rapport à l'aluminium forgé.

Point de fusion bas : L'aluminium moulé est connu pour avoir un point de fusion bas, ce qui le rend plus adapté aux zones où une gestion thermique modérée est requise, contrairement à l'aluminium forgé, qui nécessite des températures plus élevées.

Précision et résistance à la traction : En raison de sa faible résistance à la traction, l'aluminium moulé est généralement plus précis dans les zones qui ne nécessitent pas une résistance élevée. En revanche, l'aluminium forgé nécessite beaucoup plus de perçage et de meulage avant d'obtenir une pièce précise.

Résistance à la fatigue : La résistance à la fatigue de l'aluminium moulé est bien moindre en raison de sa porosité et de ses inclusions qui affectent sa résistance et entraînent une défaillance prématurée sous charge. En revanche, l'aluminium forgé présente une résistance à la fatigue supérieure grâce à sa structure épurée.

Résistance à la corrosion: Cela dépend principalement de la composition de l'alliage d'aluminium coulé. Les alliages comme l'A356 sont réputés pour leur bonne résistance à la corrosion, mais la présence d'impuretés peut néanmoins nuire à leurs performances. Pour l'aluminium corroyé, beaucoup d'entre eux présentent une très bonne résistance à la corrosion grâce à leur microstructure raffinée.

Applications

Automobile et aérospatiale :

Les alliages d'aluminium moulés sont essentiels pour réduire le poids total des véhicules. Ils servent à la fabrication de pièces complexes telles que les blocs moteurs et les culasses, les carters de boîte de vitesses, les supports de cellule et les composants de suspension. Grâce à leur faible résistance à la traction, des pièces comme les carters de transmission, qui nécessitent un façonnage rapide, sont facilement obtenues.

Electronique et gestion thermique :

L'aluminium peut diffuser suffisamment la chaleur pour éviter la surchauffe des composants. Les pièces moulées contribuent à réguler la température des composants électriques, garantissant ainsi leur refroidissement pendant leur utilisation.

Machines et biens de consommation :

Pour les machines telles que les vannes, les compresseurs et les pompes, ces outils doivent être suffisamment robustes et résister efficacement à la corrosion. L'aluminium moulé est utilisé pour obtenir ces propriétés, et il est également utilisé dans les pièces des machines à laver et des aspirateurs.

Croissance de la fabrication additive :

Ici, les alliages d'aluminium comme l'AlSi10mg peuvent être utilisés dans des domaines comme l'impression 3D. Ils servent également à la fabrication d'outils et d'implants médicaux, qui bénéficient du rapport résistance/poids de l'AlSi10Mg.

Défis et meilleures pratiques

L’utilisation de l’aluminium moulé présente de nombreux avantages, mais en même temps, les fabricants doivent prendre en compte certains problèmes pour éviter ces problèmes.

Déchirure à chaud : Cela se produit à la suite de la déchirure de l'alliage fondu pendant le processus de solidification. Cela se produit généralement lorsque les moules sont mal conçus ou dans des alliages qui ne se solidifient pas tous en même temps lorsqu'ils refroidissent.

Pour y remédier, il est préférable d'utiliser des alliages à solidification plus rapide, comme l'Al-Si. L'utilisation d'affineurs de grains pour créer de meilleures structures granulaires contribuera également à prévenir les déchirures à chaud.

Préoccupations environnementales et sécurité des travailleurs : Lors de la fusion et du coulage de l'alliage d'aluminium, celui-ci peut libérer de la fumée nocive et peut également brûler la peau des travailleurs s'ils ne font pas attention.

Il est préférable d’utiliser un équipement de protection individuelle approprié pour protéger les travailleurs contre de tels risques et de les former correctement sur la façon de manipuler le métal en fusion.

L’utilisation de systèmes de ventilation et d’extraction des fumées appropriés contribuera à éloigner la fumée nocive pendant le processus de fabrication.

Rentabilité et durabilité : Bien que l’aluminium soit recyclable, certains procédés de moulage ont tendance à gaspiller beaucoup de matière et à utiliser beaucoup d’énergie pour refondre le métal.

Le préchauffage des moules permet d'éviter ce problème lors de la création des matériaux. Les fabricants devraient également recourir à des contrôles de processus plus poussés pour réduire la quantité de rebuts et de défauts.

Conclusion

Grâce à ses propriétés exceptionnelles et à ses applications dans divers domaines, l'aluminium moulé sera toujours un choix judicieux pour tout projet de fabrication. Avec le rythme des progrès technologiques actuels, la demande d'aluminium moulé sera sans doute forte dans les années à venir.

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