Solidification des métaux :mécanisme, vitesse et processus | Coulée | Sciences de la fabrication

Dans cet article, nous discuterons de la solidification des métaux :- 1. Mécanisme de solidification 2. Vitesse de solidification 3. Solidification d'une grande coulée dans un moule isolant 4. Solidification avec une résistance d'interface prédominante 5. Solidification avec coulée constante Température de surface 6. Solidification avec résistance prédominante dans la moisissure et le métal solidifié.

Contenu :

1. Mécanisme de solidification
2. Taux de solidification
3. Solidification d'une grande coulée dans un moule isolant
4. Solidification avec résistance d'interface prédominante
5. Solidification avec température de surface de coulée constante
6. Solidification avec résistance prédominante dans la moisissure et le métal solidifié

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1. Mécanisme de solidification :

Métaux purs :

Les liquides doivent être refroidis en dessous de leur point de congélation avant que la solidification ne commence. C'est parce que l'énergie est nécessaire pour créer des surfaces pour de nouveaux cristaux. Le degré de surfusion nécessaire est réduit par la présence d'autres surfaces (particules) qui servent de noyaux initiaux à la croissance cristalline.

Lorsqu'un métal liquide est coulé dans un moule, initialement (au temps t₀ dans la Fig. 2.14) la température partout est θ₀ . La face du moule elle-même agit comme le noyau de la croissance cristalline, et si la conductivité du moule est élevée, de petits cristaux orientés de manière aléatoire se développent près de la face du moule.

Par la suite, un gradient de température se produit au sein de la coulée, comme indiqué sur la figure 2.14 pour t₁ et t₂ . Au fur et à mesure que la solidification progresse vers l'intérieur, de longs cristaux colonnaires, avec leurs axes perpendiculaires à la face du moule, se développent. Cette orientation de la croissance cristalline est souhaitable du point de vue de la résistance de la coulée.

Alliages :

Un alliage, contrairement à un métal pur, n'a pas de température de congélation bien définie. La solidification d'un alliage s'effectue dans une plage de températures. Au cours de ce processus, les solides qui se séparent à différentes températures possèdent des compositions variables.

En raison de ces faits, la direction de la croissance cristalline dans un alliage dépend de divers facteurs, tels que :

(i) Le gradient de composition au sein de la coulée,

(ii) La variation de la température du solidus avec la composition, et

(iii) Le gradient thermique dans le moule.

Nous discuterons chacun de ces facteurs en considérant l'exemple d'un alliage en solution solide dont le diagramme de phases est représenté sur la figure 2.15.

Soit l'alliage liquide de composition C₀ (de B dans A). Soit aussi θ_f être le point de congélation du métal pur A, et θ₀ et '₀ , respectivement, les températures de liquidus et de solidus de l'alliage de composition C₀ .

Au fur et à mesure que l'alliage liquide est refroidi jusqu'à la température 0_O , les solides commencent à se séparer. La concentration de B dans ces solides n'est que de C₁ (0 ) comme le montre la figure 2.15. En conséquence, la concentration de B dans le liquide, près de l'interface solide-liquide, augmente jusqu'à une valeur supérieure à C₀ . La figure 2.16 montre ceci pour la situation où le front de solidification a progressé jusqu'à une certaine distance d de la face du moule.

Considérons maintenant deux points P et Q au sein de l'alliage liquide, P étant juste au-delà de l'interface solide-liquide, comme indiqué sur la figure 2.16. Les températures de solidus correspondant aux compositions en P et Q sont θ'_P et '_Q , respectivement (voir Fig. 2.15). Soit θ_P et _Q être les températures réelles aux points P et Q, respectivement. θ_Q est supérieur à θ_P en raison du gradient thermique au sein de la coulée (voir Fig. 2.14). Si les deux θ_a et θ_P se situer dans la plage θ'_P à θ'_Q , alors le liquide en Q est surfondu, alors que celui en P ne l'est pas. Cela implique que la cristallisation commence à Q plus tôt qu'à P. Si cette différence est très importante, alors la croissance colonnaire des cristaux à partir de la surface du moule est entravée. La croissance cristalline dans une telle situation peut apparaître comme sur la figure 2.17. Ainsi, un dendritique

Ainsi, une structure dendritique est produite. Si la cristallisation à Q est terminée avant de commencer à P (en raison d'un très faible gradient thermique, avec une différence de concentration très élevée et une ligne de solidus très inclinée), des cristaux orientés aléatoirement peuvent apparaître à l'intérieur de la coulée. De plus, la présence de cristaux solides en amont de l'interface solide-liquide rend plus difficile l'alimentation du métal liquide. Cela implique également un plus grand risque d'avoir des vides dans le moulage, normalement appelés retrait de la ligne centrale.

Un remède pour éviter le problème susmentionné est de produire un grand gradient thermique à l'intérieur du moule en fournissant un refroidisseur (bloc métallique refroidi à haute conductivité thermique) à l'extrémité du moule. Si θ_P est nettement inférieur à 6q, alors le degré de surfusion n'est pas significativement différent en P et Q et une progression progressive de l'interface solide-liquide est assurée. Le problème est évidemment moins critique pour les alliages présentant une faible différence de température entre les lignes de liquidus et de solidus.

Les modèles de congélation d'un moule réfrigéré et d'un moule ordinaire sont illustrés à la figure 2.18. Sur la figure 2.18a, la solidification commence au niveau de la ligne médiane du moule avant que la solidification ne soit terminée, même sur la face du moule. Dans le moule réfrigéré (Fig. 2.18b), d'autre part, en raison de l'extraction rapide de la chaleur, une étroite zone liquide-solide balaie rapidement le métal en fusion.

La difficulté d'alimentation d'un alliage donné dans un moule est exprimée par une quantité, appelée résistance d'alimentation de ligne centrale (CFR). Il est défini comme –

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2. Taux de solidification :

Un réservoir de métal liquide, appelé riser, permet de compenser le retrait qui s'opère depuis la température de coulée jusqu'à la solidification. A cet égard, la fonte grise est une exception intéressante où la solidification se fait en deux étapes.

Le retrait associé au premier étage peut très bien être compensé par la dilatation qui a lieu au cours du deuxième étage, et en tant que tel, une colonne montante peut ne pas être nécessaire. Pour s'assurer que le riser ne se solidifie pas avant la coulée, il faut avoir une idée du temps mis par la coulée pour se solidifier.

De plus, le placement (l'emplacement) de la colonne montante peut être judicieusement choisi si l'on dispose d'une estimation du temps mis par la coulée pour se solidifier jusqu'à une certaine distance de la face du moule.

La chaleur rejetée par le métal liquide est dissipée à travers la paroi du moule. La chaleur dégagée par le refroidissement et la solidification du métal liquide traverse différentes couches. La répartition de la température dans ces couches, à tout instant, est schématisée sur la figure 2.19.

Les résistances thermiques qui régissent l'ensemble du processus de solidification sont celles du liquide, du métal solidifié, de l'interface métal-moule, du moule et de l'air ambiant. Ces cinq régions différentes sont indiquées par les numéros 1 à 5 sur la figure 2.19. Le processus de solidification est assez compliqué, en particulier lorsque l'on considère une géométrie complexe, la congélation des alliages ou la dépendance à la température des propriétés thermiques.

Dans ce qui suit, nous discuterons de la solidification des métaux purs dans quelques cas d'intérêt pratique. Ce faisant, nous ferons, selon la situation, des hypothèses simplificatrices pour négliger la résistance thermique d'une ou plusieurs des régions représentées sur la figure 2.19.

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3. Solidification d'une grande coulée dans un moule isolant :

Lors de la solidification d'une grande coulée dans un moule isolant, comme celui utilisé dans le sable ou la coulée de précision, la quasi-totalité de la résistance thermique est offerte par le moule. Par conséquent, l'analyse que nous donnons calcule le temps de congélation en ne considérant que la résistance thermique de la région 2 (Fig. 2.19).

Considérons une face de moule AB illustrée à la figure 2.20. Le grand moule, initialement à une température θ₀ , est supposé étendu jusqu'à l'infini dans la direction x.

Au temps t =0, le métal liquide à la température θ_p est versé dans le moule. On suppose également que le métal juste en contact avec la face du moule se solidifie instantanément. En d'autres termes, la température de la face du moule est portée à θ_f (température de congélation du métal) à t=0 et est maintenue à cette valeur la fin de la solidification. La distribution de la température dans la caisse à un instant t ultérieur (en supposant une conduction thermique unidimensionnelle dans la direction x) pour un tel cas est donnée par

Il convient de noter que l'analyse qui précède suppose une interface métal-moule plane AB, qui n'est généralement pas rencontrée dans la pratique de l'ingénierie. Souvent, nous sommes amenés à connaître le temps de gel de contours complexes.

Pour de tels contours, il suffit d'observer (sans aucun calcul précis) les caractéristiques de base suivantes pour savoir si l'analyse que nous avons donnée sous-estime ou surestime le temps de congélation réel. Pour observer ces caractéristiques, nous considérons trois types d'interfaces métal-moule (voir Fig. 2.21), à savoir, (i) convexe, (ii) plan (utilisé dans notre analyse) et (iii) concave.

Sur la figure 2.21a, le flux de chaleur est plus divergent et, par conséquent, le taux est légèrement supérieur à celui de la figure 2.21b. Ainsi, le temps de congélation dans un tel cas est surestimé par l'analyse précédente. De même, sur la figure 2.21c, le flux de chaleur est plus convergent et, par conséquent, le taux est légèrement inférieur à celui de la figure 2.21b. Ainsi, le temps de congélation dans un tel cas est sous-estimé par l'analyse que nous avons donnée.

Les résultats quantitatifs de l'effet de l'interface moule-coulée sur le temps de congélation peuvent être obtenus pour certaines formes de base. Avant de donner ces résultats, nous définissons deux paramètres non dimensionnels, à savoir-

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4. Solidification avec une résistance d'interface prédominante :

Dans certains procédés de moulage courants, le flux de chaleur est contrôlé de manière significative par la résistance thermique de l'interface moule-métal. Ces processus comprennent le moulage en moule permanent et le moulage sous pression.

La condition d'absence de résistance de contact n'existe que lorsque le contact moule-métal est si intime qu'un mouillage parfait se produit, c'est-à-dire que la pièce moulée est soudée à la face du moule. Dans un tel cas, la distribution de la température, en supposant qu'il n'y ait pas de surchauffe, est telle qu'illustrée à la Fig. 2.23. Nous considérons à nouveau un problème de flux de chaleur unidimensionnel.

L'équation (2.44) est utile pour estimer le temps de solidification de petites pièces à section mince coulées dans un moule en métal lourd tel qu'utilisé dans une coulée sous pression ou un moule permanent.

On peut noter à ce stade qu'au-delà de la résistance d'interface dont nous avons parlé, il existe des différences significatives entre le processus de solidification dans un moule en sable et celui dans un moule à froid ou en métal.

Nous donnons ici deux manières importantes par lesquelles ce dernier diffère du premier :

(i) La conductivité thermique du métal solidifié peut fournir une résistance thermique considérable, comme le montre la région 4 de la figure 2.19. De ce fait, la température de surface de la coulée (θ_s ), comme on peut le voir, devient bien inférieure à la température de congélation θ_f .

(ii) En raison du métal solidifié sous-refroidi, il faut éliminer plus de chaleur totale que celle considérée. Ainsi, la capacité calorifique du métal en train de se solidifier joue également un rôle important dans la vitesse de solidification.

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5. Solidification avec température de surface de coulée constante :

Si une grande pièce moulée en forme de plaque (par exemple en acier) est produite dans un moule mince refroidi à l'eau fait d'un métal (par exemple en cuivre) ayant une conductivité beaucoup plus élevée que la pièce moulée solidifiée, alors la résistance thermique fournie par le métal qui se solidifie lui-même est important. Dans un tel cas, la résistance thermique prédominante est offerte par la région 4 (voir Fig. 2.19).

En négligeant les résistances thermiques de toutes les autres régions, la distribution de la température à tout instant prend la forme illustrée à la figure 2.24. Ici, la température de l'interface moule-métal (ou de la surface de coulée) θ_S peut être supposé rester constant à sa valeur initiale θ₀ , et _f indique la température de congélation du métal et est également considérée comme la température de coulée.

A tout instant t, (t) indique la profondeur de solidification. Le processus peut être idéalisé, sans trop d'erreur, comme un processus unidimensionnel. Par conséquent, le temps de solidification t_s est obtenu à partir de δ(t_s ) =h/2, où h est l'épaisseur de la dalle à couler. Le profil de température dans la plage 0

Cette analyse n'est valable qu'après la fin de l'étape initiale de solidification (0,5-1 cm). Des résultats similaires pour le temps de solidification des autres formes peuvent être trouvés dans la littérature disponible.

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6. Solidification avec une résistance prédominante dans la moisissure et le métal solidifié :

Le moule en cuivre est assez épais et n'est pas refroidi à l'eau. Ensuite, la température d'interface moule-métal θ_S ne peut plus être supposé rester à sa valeur initiale θ₀ . La valeur de _S , toujours supposé constant, est déterminé par les propriétés thermiques du moule et du métal solidifié.

De plus, après l'étape initiale de solidification, la résistance d'interface devient également négligeable. Ainsi, la seule résistance thermique significative est offerte par les régions 2 et 4 (Fig. 2.19) et la distribution de température résultante à tout instant est telle qu'illustrée à la Fig. 2.25. En supposant que le moule soit un milieu semi-infini dans la direction x négative, la distribution de température dans le moule est

Maintenant, le membre de gauche et dans l'équation (2.62) sont connus ; ainsi, ζ peut être déterminé graphiquement ou par essais et erreurs. Dans la première approche, un graphe de ζe ^ζ2 [erf (ζ) + ɸ] en fonction de ζ doit être tracé pour la valeur donnée de , et ζ peut alors être résolu pour avec la valeur connue du membre de gauche de l'équation (2.62). Une fois que ζ est connu, la profondeur de solidification peut être calculée à partir de l'équation (2.47) et le temps de solidification à partir de l'équation (2.52). Pour qu'un tel casting soit faisable, il faut s'assurer que θ_S s'avère être inférieur au point de fusion du métal du moule.

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