Causes et mesures d'amélioration des processus pour la porosité de retrait, les cavités de retrait et les fissures dans les pièces brutes d'aimants en aluminium-nickel-cobalt (AlNiCo) moulées

1. Introduction

Les alliages aluminium-nickel-cobalt (AlNiCo) sont largement utilisés dans les aimants permanents, les capteurs et les instruments de précision grâce à leurs excellentes propriétés magnétiques, leur température de Curie élevée et leur bonne stabilité thermique. Cependant, lors du processus de coulée, des défauts tels que la porosité de retrait, les cavités de retrait et les fissures apparaissent fréquemment, affectant fortement les propriétés mécaniques, les performances magnétiques et le rendement des pièces brutes. Cet article analyse systématiquement les causes profondes de ces défauts et propose des mesures d'amélioration ciblées du procédé afin de fournir un soutien technique pour une production de pièces moulées AlNiCo de haute qualité.

2. Causes des défauts

2.1 Porosité de retrait et cavités de retrait

La porosité de retrait et les cavités de retrait sont des vides internes qui se forment lors de la solidification des alliages AlNiCo en raison d'une alimentation insuffisante en métal liquide. Leurs mécanismes de formation et les facteurs qui les influencent sont les suivants :

2.1.1 Caractéristiques du retrait de solidification

Les alliages AlNiCo présentent une large plage de solidification (différence de température entre le liquidus et le solidus), ce qui entraîne la formation d'une zone pâteuse prolongée. Durant cette période, des dendrites se forment, bloquant les canaux d'alimentation et empêchant le métal liquide de compenser le retrait volumique, ce qui se traduit par une porosité de retrait dispersée ou des cavités de retrait centralisées.

2.1.2 Conception de colonne montante inadéquate

• Volume insuffisant de la colonne montante : La colonne montante ne stocke pas suffisamment de métal liquide pour compenser le retrait dû à la solidification.
• Emplacement incorrect de la colonne montante : La colonne montante n'est pas placée au point chaud (la dernière zone de solidification), ce qui entraîne une défaillance localisée de l'alimentation.
• Solidification prématurée de la masselotte : La masselotte se solidifie avant la coulée, interrompant ainsi le passage d'alimentation.

2.1.3 Structure de moulage déraisonnable

• Transitions entre épaisseurs importantes et minces : Les changements brusques d’épaisseur de section provoquent un refroidissement rapide localisé, formant des points chauds sujets à des défauts de retrait.
• Angles vifs et congés : La concentration des contraintes aux angles vifs inhibe l'écoulement du métal liquide, exacerbant la porosité de retrait.

2.1.4 Paramètres de coulée incorrects

• Température de coulée basse : Réduit la fluidité du métal liquide, ce qui nuit à l'efficacité de l'alimentation.
• Vitesse de coulée élevée : provoque des turbulences et un piégeage d'air, entraînant une porosité de retrait assistée par les gaz.
• Temps de maintien trop court : temps insuffisant pour que le gaz et les inclusions remontent à la surface, ce qui augmente le risque de porosité.

2.1.5 Défauts du système de refroidissement du moule

• Vitesse de refroidissement inégale : des gradients de température excessifs entre différentes sections de la pièce moulée induisent des contraintes thermiques, favorisant la formation de cavités de retrait.
• Refroidissement insuffisant dans les sections épaisses : Un refroidissement lent dans les zones épaisses prolonge la zone pâteuse, augmentant le risque de porosité de retrait.

2.2 Fissures

Les fissures dans les pièces moulées en AlNiCo sont principalement dues à des contraintes thermiques ou mécaniques dépassant la résistance du matériau lors de la solidification ou du refroidissement. Les principaux types et causes sont les suivants :

2.2.1 Larmes chaudes (fissures thermiques)

• Mécanisme de formation : Se produit lors des dernières étapes de la solidification, lorsque la pièce moulée a une ductilité limitée mais est encore soumise à des contraintes de traction dues à un refroidissement inégal ou à la contrainte du moule.
• Facteurs d'influence:
  • Large plage de solidification : Prolonge la zone pâteuse, augmentant la susceptibilité à la fissuration à chaud.
  • Coefficient de dilatation thermique élevé : Amplifie les contraintes thermiques lors du refroidissement.
  • Mauvaise contrainte du moule : Un frottement ou une pression excessive du moule limite le retrait, provoquant des fissures.
  • Angles vifs et parois minces : provoquent une concentration des contraintes, favorisant l'amorçage des fissures.

2.2.2 Fissures à froid

• Mécanisme de formation : Se produisent après la solidification en raison des contraintes résiduelles dues à un refroidissement inégal ou à des charges mécaniques externes.
• Facteurs d'influence:
  • Contraintes résiduelles élevées : causées par un refroidissement rapide ou un traitement thermique inadéquat.
  • Faible ductilité : La présence de phases fragiles (par exemple, des carbures en excès) réduit la résistance à la fissuration.
  • Impact mécanique : Lors de l'éjection ou de la manipulation, la contrainte localisée dépasse la résistance du matériau.

3. Mesures d'amélioration des processus

3.1 Optimisation de la conception des colonnes montantes

1. Volume et emplacement de la colonne montante
   • Utilisez la simulation numérique (par exemple, MAGMAsoft, ProCAST) pour prédire avec précision la dernière zone de solidification et positionner le riser en conséquence.
   • Augmenter le volume de la colonne montante de 10 à 20 % par rapport aux calculs théoriques afin d'assurer une alimentation suffisante.
   • Pour les pièces moulées complexes, utilisez des colonnes montantes latérales ou des colonnes montantes multiples afin d'améliorer l'efficacité d'alimentation.
2. Sélection du type de colonne montante
   • Utilisez des colonnes montantes exothermiques ou isolantes pour retarder la solidification et prolonger le temps d'alimentation.
   • Pour les pièces moulées de forte épaisseur, envisagez des systèmes d'alimentation assistés par pression pour améliorer l'écoulement du métal liquide.
3. Conception de col montant
   • Optimisez les dimensions du col de la colonne montante pour équilibrer la pression d'alimentation et le temps de solidification. Un col étroit peut réduire la résistance à l'alimentation mais risque de solidifier prématurément, tandis qu'un col large assure l'alimentation mais peut réduire le rendement.

3.2 Amélioration de la structure de coulée

1. Uniformité de l'épaisseur de la paroi
   • Évitez les changements brusques d'épaisseur de section ; utilisez des transitions progressives (par exemple, des congés avec des rayons ≥ 5 mm) pour réduire les gradients thermiques.
   • Pour les sections épaisses, incorporez des refroidisseurs internes ou des nervures de refroidissement pour accélérer la solidification et minimiser les points chauds.
2. Fonctions anti-stress
   • Ajoutez des rainures ou des nervures de décharge de contrainte aux angles vifs pour répartir les contraintes et empêcher l'amorçage des fissures.
   • Utilisez des structures creuses ou nervurées pour réduire la masse et améliorer l'uniformité du refroidissement.
3. Optimisation du système de contrôle d'accès
   • Concevoir le système de vannes de manière à assurer un écoulement régulier du métal liquide avec un minimum de turbulence.
   • Utilisez des canaux et des vannes coniques pour contrôler la vitesse d'écoulement et éviter l'emprisonnement d'air.
   • Positionner les vannes au niveau des sections épaisses afin de favoriser une solidification directionnelle vers la colonne montante.

3.3 Contrôle des paramètres de coulée

1. Température de coulée
   • Maintenir une température de coulée optimale (généralement 10 à 20 °C au-dessus du liquidus) pour assurer une bonne fluidité sans retrait excessif.
   • Pour les alliages AlNiCo à haute teneur en nickel, des températures légèrement plus élevées peuvent être nécessaires pour compenser leur viscosité élevée.
2. Vitesse d'écoulement
   • Utilisez une vitesse de versement modérée (0,5–1,0 m/s) pour éviter les turbulences et l’emprisonnement d’air.
   • Pour les pièces moulées de grande taille, adoptez une technique de coulée en plusieurs étapes afin de remplir progressivement le moule et de réduire le choc thermique.
3. Temps de maintien
   • Laisser reposer suffisamment longtemps (3 à 5 minutes) dans la louche pour que le gaz et les inclusions remontent à la surface avant de verser.
   • Utiliser un agent de protection ou de couverture à l'argon pour éviter l'oxydation pendant le maintien.

3.4 Amélioration du refroidissement des moules

1. Conception du canal de refroidissement
   • Incorporer des canaux de refroidissement conformes dans le moule afin d'obtenir des vitesses de refroidissement uniformes sur toute la pièce coulée.
   • Pour les sections épaisses, utiliser des inserts refroidis à l'eau ou des plaques de refroidissement externes afin d'accélérer la solidification.
2. Isolation thermique et refroidissement
   • Appliquer des revêtements d'isolation thermique sur les parties minces afin de ralentir le refroidissement et d'équilibrer les gradients thermiques.
   • Utilisez des refroidisseurs externes (par exemple, des inserts en cuivre ou en acier) dans les sections épaisses pour favoriser une solidification rapide et réduire la porosité de retrait.
3. Sélection du matériau du moule
   • Choisissez des matériaux de moule à haute conductivité thermique (par exemple, l'acier H13) pour les sections minces afin d'améliorer la dissipation de la chaleur.
   • Pour les sections épaisses, utilisez des matériaux à faible conductivité thermique (par exemple, le graphite) pour ralentir le refroidissement et réduire le risque de déchirure à chaud.

3.5 Réduction des contraintes thermiques

1. Vitesses de refroidissement contrôlées
   • Mettre en œuvre une vitesse de refroidissement lente (≤ 5°C/min) pendant la plage de solidification afin de minimiser les gradients thermiques.
   • Utilisez des couvertures de refroidissement ou d'isolation pour fournaise afin de maintenir une répartition uniforme de la température.
2. Traitement thermique anti-stress
   • Effectuer un traitement de recuit de détente (par exemple, 500–600°C pendant 2–4 heures) après solidification pour réduire les contraintes résiduelles.
   • Pour les pièces moulées de grande taille, envisagez un processus de recuit en plusieurs étapes afin de réduire progressivement les contraintes sans provoquer de nouvelles fissures.
3. Minimisation des contraintes liées aux moisissures
   • Concevoir le moule avec des angles de dépouille suffisants (≥ 1°) pour faciliter l'éjection et réduire les contraintes mécaniques.
   • Utilisez des broches d'éjection de taille et d'emplacement appropriés pour répartir uniformément les forces d'éjection.

3.6 Contrôle des matériaux et du processus de fusion

1. Optimisation de la composition chimique
   • Ajuster la teneur en nickel et en cobalt pour réduire la plage de solidification et améliorer l'efficacité d'alimentation.
   • Limiter la teneur en impuretés (par exemple, soufre, phosphore) qui favorisent la fissuration à chaud.
2. Pratique de fonte
   • Utilisez des matériaux de charge secs et propres pour réduire l'absorption d'hydrogène et la porosité.
   • Utiliser des techniques de dégazage (par exemple, le dégazage par turbine rotative) pour éliminer les gaz dissous avant de verser.
   • Contrôler la température de fusion pour éviter une oxydation excessive et une absorption d'azote.
3. Raffinement des grains
   • Ajouter des affinants de grain (par exemple, du titane ou du bore) pour favoriser la formation de grains équiaxes, ce qui améliore l'alimentation et réduit la sensibilité à la fissuration à chaud.
   • Utiliser l'agitation électromagnétique pendant la fusion pour obtenir une structure granulaire uniforme.

4. Étude de cas : Amélioration du processus de coulée d'un aimant AlNiCo

Un fabricant d'aimants permanents AlNiCo a rencontré d'importants problèmes de porosité de retrait et de fissuration à chaud lors du moulage d'une pièce de forme complexe. Le procédé initial utilisait une seule masselotte de volume insuffisant et le moule était dépourvu de canaux de refroidissement, ce qui entraînait un refroidissement irrégulier et des contraintes résiduelles élevées.

Mesures d'amélioration :

1. Refonte de la colonne montante : La colonne montante unique a été remplacée par deux colonnes montantes latérales de volume accru, positionnées aux points critiques identifiés par simulation.
2. Système de refroidissement : Ajout de canaux de refroidissement conformes dans le moule pour obtenir des vitesses de refroidissement uniformes sur toute la pièce moulée.
3. Optimisation du versement : La température de versement a été ajustée à 10 °C au-dessus du liquidus et la vitesse de versement a été réduite à 0,7 m/s.
4. Détente des contraintes : Un traitement de recuit de détente des contraintes a été mis en œuvre à 550 °C pendant 3 heures après solidification.

Résultats :

• La porosité due au retrait a été réduite de 80 % et la fissuration à chaud a été éliminée.
• Le rendement en pièces moulées acceptables est passé de 65 % à 92 %.
• Les propriétés magnétiques du produit final se sont améliorées grâce à la réduction de la densité de défauts.

5. Conclusion

La porosité de retrait, les cavités de retrait et les fissures sont des défauts courants dans les pièces moulées en AlNiCo, principalement dus à une alimentation insuffisante, aux contraintes thermiques et à des paramètres de procédé inadéquats. En optimisant la conception des masselottes, en améliorant la structure de la pièce moulée, en contrôlant les paramètres de coulée, en améliorant le refroidissement du moule, en réduisant les contraintes thermiques et en perfectionnant les procédés de fusion et de traitement des matériaux, ces défauts peuvent être considérablement réduits, voire éliminés. Les outils de simulation numérique et l'optimisation systématique du procédé sont essentiels pour obtenir des pièces moulées en AlNiCo de haute qualité, présentant des propriétés mécaniques et des performances magnétiques améliorées.