Maîtriser l’élaboration des fontes par l’analyse thermique

Coulée de lingots ferreux

L'analyse thermique, un outil précieux pour mieux maîtriser l'élaboration métallurgique des fontes et avoir des réponses rapide (avant même de couler les pièces).

En fonderie de fonte, contrairement aux autres familles de matériaux, la maitrise de la composition chimique ne suffit pas pour garantir la bonne santé interne des pièces ou la structure conforme de la matière. Les caractéristiques obtenues sur pièces dépendent des conditions d’élaboration (composition du lit de fusion, conduite de la fusion, inoculation, traitement de sphéroïdisation). L’analyse thermique des fontes est une technique séduisante qui permet, en enregistrant puis en interprétant la courbe de refroidissement du métal liquide, d’avoir accès en temps réel à des informations sur sa composition (Ceq, % carbone, % silicium…), sur sa solidification (tendance à la retassure, densité de particules de graphite) et sur les caractéristiques mécaniques du métal solidifié (Rm, HB).

Historique

Qualification de la fonte liquide avant coulée

Qualifier la fonte liquide avant la coulée (analyse thermique, composition chimique, température…) est essentiel !

L’influence de la composition chimique (essentiellement les teneurs en carbone et en silicium), est à la base de la principale application industrielle de l’analyse thermique (la détermination des teneurs en carbone et en silicium de la fonte liquide) qui date de près de 50 ans… l’intérêt pour cette méthode de contrôle n’est donc pas récent.

Michel Hecht et Willy Van der Perre furent parmi les précurseurs de cette méthode d’analyse. Toutefois, ce n’est véritablement que depuis la fin des années 1990 que l’analyse thermique s’est développée industriellement, avec la démocratisation des moyens informatiques et avec l’apparition de logiciels de contrôle de production distribués par plusieurs fournisseurs.

Le principe de l’analyse thermique

L’analyse thermique consiste à enregistrer la courbe de refroidissement de la fonte lors de sa solidification (dans un petit godet ad hoc en sable à prise chimique) et à interpréter cette courbe pour en déduire des informations sur sa composition et ses caractéristiques comme la tendance à la retassure ou la morphologie des particules de graphite.

Les points singuliers de cette courbe (et sa dérivée première) peuvent être reliés à un phénomène métallurgique particulier : solidification du premier constituant (T Liquidus), solidification de l’eutectique (longueur du palier eutectique), densité de particules de graphite (surfusion et recalescence), fin de solidification (T Solidus) …. Les différentes informations tirées de cette courbe sont ensuite interprétées. L’analyse thermique permet ainsi d’avoir accès en temps réel à des données d’une fusion (carbone équivalent, %C, %Si, indice d’inoculation…) avant même que les pièces ne soient coulées et sans examen destructif coûteux.

L’analyse thermique conventionnelle

Plusieurs études démontrent que l’analyse thermique utilisée de manière « conventionnelle » c’est-à-dire sans l’assistance de logiciels spécifiques de traitement de données, s’avère être un outil puissant pour le contrôle de la qualité métallurgique de la fonte, permet de suivre l’évolution de cette qualité en fonction des paramètres processus, permet de détecter une anomalie dans ce processus et laisse envisager des corrections, et permet de comparer différents produits de traitement entre eux et donc d’optimiser les consommations et les coûts.

Cette approche conventionnelle utilise la régression simple ou multiple sur des paramètres tirés de la courbe d’analyse thermique. Les dispersions s’avèrent être importantes et une approche statistique est ainsi indispensable pour s’assurer du degré de fiabilité des informations données par l’analyse thermique, depuis le prélèvement de l’échantillon de métal liquide jusqu’au traitement de la courbe de température.

La chaîne de mesure doit en particulier être juste et répétable. Ce point est d’autant plus important que les facteurs influents sur les paramètres de la courbe d’analyse thermique sont nombreux et parfois non contrôlés (présence d’éléments chimiques résiduels, activité de l’oxygène,…).

Les systèmes experts d’analyse thermique

L’utilisation de logiciels spécifiques permet d’exploiter de manière différente les courbes d’analyse thermique, en faisant appel à des concepts d’intelligence artificielle. Ces logiciels d’analyse thermique réalisent un auto-apprentissage à partir des données réelles : caractéristiques microstructurales, analyses spectrométriques, résistance mécanique… rentrées par l’utilisateur à posteriori.

L’acquisition d’un grand nombre de données durant une phase d’apprentissage permet de « caler » les modèles théoriques à l’environnement spécifique de chaque fonderie. Cette phase d’apprentissage peut être relativement longue mais est incontournable pour bénéficier des possibilités de prédiction du dispositif.

Ces logiciels d’analyse thermique pour la fonderie sont commercialisés –entre autres-par :

  • Novacast avec le logiciel ATAS pour Adaptative Thermal Analysis System (dans lequel un système expert est utilisé pour interpréter les courbes). Novacast un l’un des précurseurs de l’analyse thermique,
  • Foseco-Vesuvius et Proservice Srl pour l’ITACA 8 (Thermal analysis Software),
  • Heraeus Electro-Nite avec le QuiK-Lab-E thermal analysis instrument et le godet QuiK-Cup,
  • Azterlan qui a développé le logiciel Thermolan (pour la fonte et l’aluminium),
  • Northern Instruments Ltd avec le DIGICARB 2D et 3,
  • Elkem qui propose EPIC,
  • Fassmet (Foundry assistance in metallurgical technologies) qui propose TCAST.
  • MeltLab Systems (D.SPARKMAN – Etats-Unis)

Intérêt de l’analyse thermique

L’analyse thermique peut devenir un vrai « centre de contrôle » de la qualité de la fonte élaborée, contrôler le processus de fusion et ainsi limiter le taux de rebuts liés à des causes métallurgiques. Cette méthode permet en effet de mesurer la teneur en carbone et en silicium de la fonte, calculer le carbone équivalent (Ceq), quantifier les effets d’un produit (recarburant ou inoculant), prédire la nodularité des fontes à graphite sphéroïdal et réduire le risque de graphite dégénéré,, avoir un meilleur contrôle de la tendance à la retassure (FGL et FGS) , évaluer les propriétés mécaniques (Rm) et la dureté (HB) avant coulée et enfin suggérer des corrections métallurgiques en cas de dérive

Un outil puissant nécessitant un know-how spécifique

En conclusion, l’analyse thermique est un outil puissant, capable de fournir des informations de premier ordre sur le processus d’élaboration et les caractéristiques métallurgiques de la fonte et son aptitude à réaliser des pièces de santé interne et de microstructure conforme. C’est cependant un outil qui reste d’utilisation pointue et demande une chaîne de mesure performante, une adaptation au cas par cas à chaque fonderie et un personnel bien formé.

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