Alliages d'aluminium pour fonderie - Définition

Les états de livraison des pièces moulées

Les différentes désignations décrites au chapitre 1 caractérisent parfaitement les lingots d'aluminium que la fonderie utilise pour couler des pièces. Cependant, pour caractériser l'alliage dans lequel une pièce est produite, un complément de désignation indique le procédé de moulage et le traitement thermique éventuel qui lui est appliqué.

Désignation des états suivant NF EN 1706 :

Procédé de moulage métallique :

• S = moulage sable par gravité
• K = moulage coquille par gravité
• D = moulage sous pression
• L = moulage en cire perdue (dit aussi moulage de précision)

Traitement thermique éventuel (suivant norme EN 515):

• F = Aucun traitement thermique
• O = Recuit
• T1 = Trempe au démoulage + maturation
• T4 = Trempe (mise en solution, trempe à l'eau) + maturation
• T5 = Stabilisation
• T6 = Trempe + Revenu
• T64= Trempe + sous-revenu
• T7 = Trempe + sur-revenu

Dans la désignation métallurgique issue de l'ancienne norme, le complément de désignation commençait par un Y, suivi de deux chiffres. Le premier chiffres indiquait le procédé de moulage (2 pour le moulage sable par gravité, 3 pour le moulage coquille par gravité, 4 pour le moulage sous pression), le second indiquait l'état de traitement thermique (3 pour trempé revenu et 4 pour trempé maturé, pour les plus courant).

Exemple : A-S7G06 Y23 ou AlSi7Mg0,6 ST6 ou encore 42200 ST6 désignent des pièces réalisées dans le même alliage, obtenues par moulage au sable et traitées thermiquement suivant le cycle mise en solution - trempe - revenu.

Dans le respect de la norme, cette désignation devrait être EN 1706 AC-AlSi7Mg0,6ST6 (ou EN 1706 AC-42000ST6) dans laquelle le premier « A » indiquant qu'il s'agit d'alliage d'aluminium est suivi par un « C » pour pièce moulée (Casting part en anglais), mais cette désignation complète est rarement utilisée.

Rôle des principaux constituants

L'aluminium (Al) - A

L'aluminium est le principal composant de ces alliages. Sa proportion est généralement comprise entre 84 % pour un A-S12UN (48000) et 97 % pour un A-S2GT (41000). C'est un métal dont la découverte est relativement récente (XIX^e siècle), il a été exposé comme « nouveau métal » lors de l'Exposition universelle de Paris de 1855.

Il est obtenu industriellement par réduction électrolytique, à partir de l'alumine (oxyde d'aluminium Al₂O₃), elle même extraite de la Bauxite.

Il a particulièrement participé au développement de tous les moyens de transport modernes et en particulier de l'aéronautique, principalement à cause de sa légèreté (densité d'environ 2,7) qui permet d'obtenir, à volume égal, des pièces environ trois fois moins lourdes que si elles étaient réalisées en acier ou en cuivre ; alliée à une très bonne résistance à la corrosion. C'est cependant un métal relativement « mou ».

L'utilisation d'aluminium en alliage avec les autres éléments qui sont cités ci-dessous est destinée en grande partie à améliorer ses caractéristiques mécaniques. Divers éléments entrent dans la composition d'un alliage d'aluminium : plus de vingt sont mesurés lors de l'analyse spectrométrique d'un alliage. Certains sont des éléments d'apport et d'autres des impuretés. Dans les normes définissant les différents alliages (NF EN 1676 par exemple), il existe un minimum et un maximum les éléments qui caractérisent l'alliage, et uniquement un maximum pour les impuretés.

Le cuivre (Cu) - U

Le cuivre contribue fortement à l'amélioration des caractéristiques mécaniques des alliages et améliore considérablement les aptitudes à l'usinage des pièces réalisées, y compris dans le cas où elles ne sont pas traitées thermiquement. À l'inverse, le cuivre est défavorable à la tenue à la corrosion de la pièce. Une protection de surface (peinture, anodisation) est souvent nécessaire.

De plus, les alliages aluminium-cuivre, dans lesquels la teneur en silicium est très faible, sont assez facilement sujets à la crique (amorce de rupture) si le refroidissement des fonderies est mal contrôlé, ou bien lors du traitement thermique si certaines précautions ne sont pas prises (éviter que les pièces se touchent entre elles, notamment).

Les AU (série 20000) sont des alliages délicats en fonderie, mais très appréciés des usineurs, lorsque les fonderies sont bien réalisées. Les pièces réalisées dans cette série d'alliage sont très souvent des pièces soumises à des contraintes mécaniques importantes et, de ce fait, font presque toujours l'objet d'un traitement thermique.

Le silicium (Si) - S

Le silicium est présent dans la majorité des alliages pour fonderie. Sa principale caractéristique est d'améliorer la coulabilité du métal et, par conséquent, de limiter les risques de criques.

Par le passé, les alliages à fort pourcentage de silicium étaient les préférés de fondeurs, mais le moulage en sable à prise chimique a permis d'obtenir la majeure partie des pièces avec des teneurs en silicium plus faibles. Aujourd'hui, des alliages à fort pourcentage de silicium sont préférés pour obtenir des pièces aux formes complexes et fines comme, par exemple, des carcasses de générateur comportant de nombreuses ailettes de refroidissement.

En revanche, le silicium diminue l'usinabilité de la pièce, et rend plus difficile le traitement anodique de décoration.

Le magnésium (Mg) - G

Le magnésium est le principal agent d'amélioration des caractéristiques mécaniques des alliages d'aluminium. Il est présent, en proportions plus ou moins importantes, dans de nombreux alliages.

Lors de la fusion qui précède la coulée des pièces, sa concentration à tendance à diminuer avec le temps, ce qui rend nécessaire le réajustement régulier de la teneur en magnésium de l'alliage. Des analyses spectrométriques du contenu du four sont donc réalisées périodiquement.

Le zinc (Zn) - Z

Le zinc augmente les caractéristiques mécaniques de l'alliage. Dans une nettement moindre mesure que le cuivre, le zinc diminue un peu la tenue à la corrosion.

Le titane (Ti) - T, et le bore (B) - B

Le titane entre, lui aussi, dans la composition de nombreux alliages. Sa principale propriété est d'affiner le grain du métal, ce qui a aussi une influence bénéfique sur les caractéristiques mécaniques.

Bien que les alliages disponibles sur le marché contiennent déjà du titane, certains fondeurs en ajoutent, additionné d'un peu de bore, un peu avant de couler les pièces, pour améliorer l'affinage. Cet ajout peut notamment se faire sous la forme de baguettes d'A-T5B1 (alliage mère à environ 5% de titane et 1% de bore). La quantité d'A-T5B1 à ajouter est contrôlée, comme la teneur en magnésium, par une spectrométrie.

L'antimoine (Sb), le sodium (Na) et le strontium (Sr)

Ces trois éléments ont des propriétés analogues lorsqu'ils sont incorporés à un alliage aluminium-silicium, mais ne doivent pas être mélangés. Ils permettent la modification de la structure de l'eutectique. L'ajout d'antimoine est appelé « pré-affinage ».

Lors de la solidification, le silicium de l'eutectique Al-Si croît normalement sous forme lamellaire. S'il est modifié, il croît sous forme fibreuse appelé « eutectique globulaire », ce qui participe à l'amélioration des caractéristiques mécaniques, surtout pour les pièces coulées au sable. La valeur à ajouter de l'un ou l'autre de ces éléments est de l'ordre de 100 à 200 ppm pour bénéficier au mieux des effets de la modification. Cette adjonction peut avoir lieu juste avant la coulée.

Certains fabricants de lingots d'alliage d'aluminium pour fonderie proposent des alliages « pré-affinés » à l'antimoine, ou pré-modifiés au sodium ou au strontium appelés « à modification permanente ». Cependant, une fonderie qui souhaite avoir une meilleure maîtrise de ses alliages préfère acheter des lingots sans ces additifs et effectuer elle-même son affinage (titane-bore, voir paragraphe précédent) et sa modification (au strontium par exemple, en utilisant un alliage mère AlSr5Ca1,5 - strontium-calcium).

L'adjonction de strontium dans un alliage préalablement modifié au sodium (ou l'inverse) pose assez peu de problème mais le mélange antimoine-strontium ou antimoine-sodium donne des résultats catastrophiques, et est en partie responsables de ce qui fut surnommé le cochonium, après la Seconde Guerre mondiale.