Solidification des Métaux : Mécanismes, Vitesses et Procédés de Coulée

Cet article traite de la solidification des métaux :

1. Mécanisme de solidification
2. Vitesse de solidification
3. Solidification d'une grosse pièce en moule isolant
4. Solidification avec résistance d'interface prédominante
5. Solidification à température de surface de pièce constante
6. Solidification avec résistance prédominante dans le moule et le métal solidifié

1. Mécanisme de Solidification

Métaux Purs

Les liquides doivent être sous-refroidis sous leur point de congélation avant que la solidification ne commence. Énergie nécessaire pour créer les surfaces des nouveaux cristaux. La présence d'autres surfaces (particules) comme noyaux initiaux réduit le sous-refroidissement nécessaire.

Lors de la coulée dans un moule, initialement (t₀) la température est θ₀ partout. La paroi du moule agit comme noyau de croissance cristalline. Si la conductivité du moule est élevée, de petits cristaux à orientation aléatoire croissent près de la paroi.

Un gradient de température s'établit ensuite (Fig. 2.14 pour t₁ et t₂). Au fur et à mesure de la progression de la solidification vers l'intérieur, de longs cristaux colonnaires, axes perpendiculaires à la paroi, se développent. Cette orientation est favorable à la résistance mécanique.

Alliages

Contrairement aux métaux purs, un alliage n'a pas de température de solidification nette. La solidification se produit sur un intervalle de température. Les solides qui se séparent à différentes températures ont des compositions variables.

La direction de croissance cristalline dans un alliage dépend de :

1. Gradient de composition dans la pièce
2. Variation de la température de solidus avec la composition
3. Gradient thermique dans le moule

Illustration avec un alliage à solution solide (diagramme de phases Fig. 2.15). Alliage liquide composition C₀ (B dans A). θf = point de fusion A pur. θ₀ et θ'₀ = liquidus et solidus pour C₀.

Au refroidissement jusqu'à θ₀, des solides se séparent avec concentration C₁ (< C₀) en B. La concentration en B dans le liquide près de l'interface solide-liquide augmente au-dessus de C₀ (Fig. 2.16, front à distance d de la paroi).

Considérons deux points P et Q dans le liquide, P juste au-delà de l'interface. Températures de solidus correspondantes : θ'P et θ'Q. Températures réelles : θP et θQ. θQ > θP (gradient thermique). Si θP et θQ se situent entre θ'P et θ'Q, le liquide en Q est sous-refroidi, pas en P. La cristallisation démarre plus tôt en Q. Si la différence est marquée, la croissance colonnaire depuis la paroi est perturbée → structure dendritique (Fig. 2.17).

Si la cristallisation en Q se termine avant de commencer en P (faible gradient thermique, forte différence de concentration, solidus très pentu), des cristaux à orientation aléatoire apparaissent à l'intérieur. La présence de cristaux solides devant l'interface rend l'alimentation plus difficile → risque de vides (retrait médian / centre-line shrinkage).

Remède : créer un fort gradient thermique par un bloc réfrigérant (chill) (bloc métallique refroidi, haute conductivité) au fond du moule. Si θP est bien en dessous de θQ, le sous-refroidissement est similaire en P et Q → progression graduelle de l'interface. Problème moins critique pour alliages à faible intervalle liquidus-solidus.

Figures 2.18a (moule ordinaire : solidification au centre avant la paroi) et 2.18b (moule réfrigéré : zone liquide-solide étroite balaie rapidement le métal).

La difficulté d'alimenter un alliage est exprimée par la Résistance d'Alimentation Médiane (Centre-Line Feeding Resistance - CFR).

2. Vitesse de Solidification

Un réservoir de métal liquide (réservoir / riser) compense le retrait de la température de coulée à la solidification. Exception : fonte grise, solidification en deux stades où le retrait du premier peut être compensé par l'expansion du second → réservoir parfois inutile.

Pour dimensionner le réservoir, il faut estimer le temps de solidification de la pièce, et celui jusqu'à une certaine distance de la paroi pour positionner le réservoir.

La chaleur libérée par refroidissement et solidification traverse différentes couches. Distribution schématique des températures (Fig. 2.19). Cinq résistances thermiques : 1) liquide, 2) métal solidifié, 3) interface métal-moule, 4) moule, 5) air ambiant.

Le processus est complexe (géométrie, alliages, propriétés thermiques T-dépendantes). Nous traitons les métaux purs avec simplifications (négliger une ou plusieurs résistances).

3. Solidification d'une Grosse Pièce en Moule Isolant

Pour sable ou coulée en coquille (investment), presque toute la résistance thermique est dans le moule (région 2, Fig. 2.19). Analyse ne considérant que cette résistance.

Face de moule AB (Fig. 2.20), grand moule initial à θ₀, étendu à l'infini en x. À t=0, métal liquide à θp versé. Hypothèse : métal au contact solidifie instantanément → température face = θf (température de fusion) à t=0, maintenue jusqu'à fin solidification. Distribution de température dans le moule (conduction 1D en x) à l'instant t :

[Équation de distribution thermique]

Analyse suppose interface plane métal-moule AB, rare en pratique. Pour contours complexes, observer sans calcul précis si l'analyse surestime ou sous-estime le temps de gel.

Trois types d'interfaces (Fig. 2.21) :

• Convexe (2.21a) : flux de chaleur plus divergent → taux plus élevé → temps de gel surestimé par l'analyse plane.
• Plane (2.21b) : cas de référence.
• Concave (2.21c) : flux plus convergent → taux plus faible → temps de gel sous-estimé.

Résultats quantitatifs pour formes de base. Deux paramètres adimensionnels définis.

4. Solidification avec Résistance d'Interface Prédominante

Dans certains procédés (moule permanent, coulée sous pression), le flux thermique est contrôlé significativement par la résistance de l'interface moule-métal.

Condition sans résistance de contact = mouillage parfait (pièce soudée au moule). Distribution de température sans surchauffe (Fig. 2.23). Problème 1D.

Équation (2.44) utile pour estimer le temps de solidification de petites pièces à parois minces en moule métallique lourd (coulée sous pression, moule permanent).

Deux différences majeures entre moule sable et moule réfrigérant/métallique :

1. Conductivité du métal solidifié (région 4, Fig. 2.19) offre résistance considérable → température de surface de pièce (θs) bien inférieure à θf.
2. Métal solidifié sous-refroidi → plus de chaleur totale à extraire. Capacité thermique du métal solidifiant joue un rôle important dans la vitesse.

5. Solidification à Température de Surface de Pièce Constante

Grande pièce en dalle (ex. acier) dans moule mince refroidi à l'eau en métal (ex. cuivre) à conductivité bien supérieure au métal solidifié. Résistance prédominante = région 4 (métal solidifié, Fig. 2.19).

Négligeant autres résistances, distribution de température (Fig. 2.24). Température interface moule-métal (surface pièce) θS constante à valeur initiale θ₀. θf = température de fusion = température de coulée.

À l'instant t, δ(t) = profondeur de solidification. Processus idéalisé 1D. Temps de solidification ts obtenu de δ(ts) = h/2 (h = épaisseur dalle). Profil de température pour 0 < x < δ(t) :

[Équation de profil]

Analyse valide après stade initial (0,5–1 cm). Résultats pour autres formes dans la littérature.

6. Solidification avec Résistance Prédominante dans Moule et Métal Solidifié

Moule en cuivre épais, non refroidi à l'eau. θS ne reste plus à θ₀. Valeur constante de θS décidée par propriétés thermiques moule et métal solidifié. Après stade initial, résistance d'interface devient négligeable. Seules résistances significatives : régions 2 (moule) et 4 (métal solidifié). Distribution (Fig. 2.25).

Moule = milieu semi-infini en x négatif. Distribution dans le moule :

[Équation]

Second membre et φ connus dans équation (2.62) → ζ déterminé graphiquement ou par essais. Tracer ζe^{ζ²}[erf(ζ) + φ] vs ζ pour φ donné, résoudre ζ avec membre gauche connu. Une fois ζ connu, profondeur de solidification par équation (2.47), temps par équation (2.52). Faisabilité : vérifier θS < point de fusion du métal du moule.