Les mécanismes d’apparition des oxydes dans les alliages d’aluminium

Coulée d'aluminium liquide à la louche

Les mécanismes de création des oxydes (et peaux d'alumine) dans les bains d'aluminium sont nombreux. Le remplissage du moule s'avère cependant un moment crucial qu'il s'agit de bien maîtriser.

Les oxydes dégradent fortement les caractéristiques mécaniques en statique et en dynamique des pièces moulées en alliage d’aluminium. Les plus nocifs se forment lorsque le métal est à l’état liquide, par rupture de la peau entourant le métal. Les étapes de fusion, maintien et remplissage sont donc cruciales ! D’autant plus, que la détection des oxydes est très difficile.

L’effet des oxydes sur les propriétés mécaniques

Différentes études montrent que les oxydes détériorent les caractéristiques mécaniques en termes de valeur moyenne mais aussi et surtout en termes de dispersion. Les oxydes sont des zones de concentration de contraintes, donc des sites préférentiels d’initiation de fissures. Les oxydes abaissent donc les propriétés mécaniques (Rm, Rp0,2, A et la résistance à la fatigue). Ils augmentent la dispersion des valeurs en raison du caractère aléatoire de leur position dans les pièces.  Mais les oxydes peuvent aussi dégrader indirectement les propriétés mécaniques en favorisant les retassures et le gazage.

L’oxydation naturelle de l’aluminium

Mécanisme de repli des peaux d’alumine pendant la phase de remplissage du moule.

Même à température ambiante, l’oxydation de l’aluminium est très rapide. Néanmoins, tant que la température reste inférieure à 850°C, la couche d’alumine qui se forme est étanche et protège l’aluminium d’une oxydation catastrophique. Au-delà de 850°C, cette couche ne protège plus le métal et l’oxydation de celui-ci peut progresser. Sous certaines conditions de température et de composition, cette oxydation peut devenir catastrophique (phénomènes de corindonnage ou de champignonnage dans les fours). Les oxydes endogènes, qui se forment par oxydation directe de l’aluminium, sont principalement l’alumine (Al2O3) et le spinelle (Al2MgO4). A côté de ces oxydes, on peut trouver des oxydes d’origine exogène qui sont soient des oxydes introduits par mégarde (retours mal débourrés), soient des produits issus de la réaction de l’aluminium avec les réfractaires de fours.

Les différentes origines des oxydes

Les oxydes peuvent donc apparaitre aux différents stades du process de fonderie. Ils peuvent être présents dans les lingots sous forme d’amas ou d’agrégats mais également se former dans les fours de fusion (où les températures élevées favorisent l’oxydation) ou dans les fours de maintien (où la durée de maintien et les opérations de puisage favorisent l’oxydation). Enfin les oxydes se forment lors de la verse et du remplissage favorisé par les turbulences (films dispersés de petite taille).

Il est possible de détecter et éliminer en grande partie les oxydes formés à la fusion et au maintien. Par contre, les oxydes produits pendant le remplissage des pièces sont plus complexes à maitriser et surtout à détecter

Formation des oxydes dans les bains

En dehors de la température, la tendance à l’oxydation des alliages d’aluminium dépend aussi des éléments d’addition ou des conditions de fusion. La présence de béryllium dans l’alliage permet de limiter considérablement l’oxydation d’où sa présence dans les alliages nord-américains A356 et A357 destinés à réaliser des pièces fortement sollicitées. Néanmoins, l’usage du béryllium est désormais très réglementé pour des raisons d’hygiène-sécurité. En conséquence, son utilisation en fonderie est de plus en plus limitée. En faible quantité, la présence de magnésium dans l’alliage permet aussi de limiter l’oxydation alors qu’en forte quantité, sa présence accélère l’oxydation. Enfin, le zinc, même en faible teneur, accélère aussi l’oxydation. Il est possible également de limiter l’oxydation à la fusion et au maintien par un inertage à l’aide d’une atmosphère contrôlée (azote ou argon).

Pour limiter la formation des oxydes dans les bains d’aluminium, les premiers facteurs à maîtriser sont la durée et la température de fusion/maintien. Ces deux paramètres doivent être les plus bas possibles autorisés par le procédé. Les matières (lingots, …) doivent également être les plus propres et les plus sèches possibles (stockage à l’intérieur). En raison de leur densité, les oxydes un peu importants remontent en surface et peuvent être éliminés par écrémage. Cet effet peut être avantageusement complété par l’utilisation d’un flux de désoxydation associé au dégazage par barbotage d’un gaz neutre en particulier à l’aide d’un rotor de dégazage. La filtration à la coulée enfin permet d’éliminer en grande partie les oxydes qui se forment et se développent durant le maintien.

Contrôle des oxydes

De nombreux appareils ont été développés dans le but d’évaluer la propreté des bains, tels que le LiMCA (Liquid Metal Cleanliness Analyzer), le PoDFA (Porous Disc Filtration Analysis), le LAIS (Liquid Aluminum Inclusion Sampler), le Prefil-Footprinter (dérivée de la méthode PoDFA), le QUALIFLASH (CTIF) et enfin le test K-Mold (développé par Kitaoka of Nippon Light Metal Ltd).

Pour la détection des oxydes dans l’aluminium solide, deux techniques pointues sont envisageables : l’activation neutronique et la nano-tomographie. En pratique, seul le ressuage (oxydes de surface ou débouchant en surface) et l’analyse micrographique sur coupe sont utilisés. Enfin, les essais de traction sur éprouvettes attenantes ou de dissection peuvent aussi donner des indications sur la présence de peaux d’oxyde.

Formation des films d’oxydes lors du remplissage

Lors du remplissage du moule, les films d’oxydes sont générés par la rupture du film d’alumine superficiel enveloppant la veine de métal. Si le film d’oxyde reste entier, au final, il se retrouve en surface des pièces leur conférant une certaine résistance à la corrosion. Par contre, s’il est déchiré par les turbulences du métal, il se retrouve dans les pièces et parfois perpendiculairement à la surface formant des zone de pré-fissuration.

Ces défauts sont donc la conséquence d’un remplissage dit turbulent. On estime que le régime devient turbulent au-delà d’une vitesse critique de l’ordre de 0,5 m/s. Cela se traduit par la courbure de la surface de métal qui induit des contraintes sur l’oxyde présent en surface et soit l’oxyde se rompt sous l’effet de ces contraintes et engendre des films d’oxyde « volants », à cœur ou en surface ou soit l’oxyde se replie sur lui-même, au risque d’emprisonner de l’air.

Au contraire, si la vitesse de remplissage est faible, le métal voit sa fluidité baisser. La progression du métal est plus difficile d’autant plus que l’oxyde en surface participe à freiner le métal. Il existe donc également une limite inférieure en deçà de laquelle apparaissent des défauts de type reprises. Repli et reprise vont donc dépendre de la rugosité de l’empreinte, de la nature chimique de la surface (poteyage, fluosilicate de sodium, talc, …), de la viscosité de l’alliage (Sr, Na, Be, température) et de la vitesse de remplissage.

Une présence inéluctable mais maîtrisable

La présence d’oxydes dans les pièces d’aluminium moulées est inéluctable compte-tenu de l’affinité entre l’aluminium et l’oxygène. Ces oxydes peuvent se former à la fusion/maintien et lors du remplissage. Fort heureusement, il est possible de se prémunir des oxydes. Tous d’abord en désoxydant et en dégazant le métal pour les oxydes formés à la fusion ou au maintien. Ensuite en maitrisant la vitesse de remplissage (coulée basculée, coulée basse pression) et en optimisant les systèmes d’alimentation (simulation numérique) pour les oxydes formés lors du remplissage.

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