Effect of trace elements on the microstructure and porosity formation in 319 type Al-Si-Cu alloys

Les alliages d'aluminium-silicium Al-Si ont connu nombreuses applications dans l'industrie grâce à leur haute résistance mécanique, leur poids faible, leur bonne résistance à la corrosion et à leur excellente coulabilité. Un des traitements du métal liquide, appliqué sur ces alliages, est la modification par certains éléments comme le strontium (Sr) et le sodium (Na). Avec la modification, la morphologie du silicium eutectique change d'une forme aciculaire à une forme fibreuse ou globulaire. Cette dernière améliore les propriétés mécaniques, particulièrement la ductilité. Les alliages 319, appartenant au système Al-Si-Cu, sont très populaires pour les applications de l'automobile, surtout avec une haute teneur en magnésium (Al-6.5%Si-3.5%Cu-0.4%Mg). Ces applications couvrent une gamme assez large incluant des pièces critiques comme les blocs de moteur, têtes de cylindre, etc. Afin d'optimiser les propriétés de ces alliages, il est nécessaire de prendre compte les impuretés et les éléments de trace, comme le bismuth (Bi), le calcium (Ca), le phosphore (P), etc. Puisque le strontium est fréquemment utilisé dans ces alliages, il est important de savoir l'effet de ces éléments sur l'efficacité du strontium comme agent de modification, et la possibilité de leur interaction avec le strontium sur la qualité du produit final. Avec l'augmentation de l'usage des matériaux recyclés dans l'industrie de l'automobile et la faible connaissance de cet aspect, cette étude a été réalisée. Le but principal est d'améliorer les informations concernant l'effet de l'interaction Sr-Bi et Sr-Ca sur les caractéristiques des particules de silicium eutectique dans les alliages 319 contenant 0.04 et 0.4% Mg en poids. Comme la modification au strontium est presque associée à l'augmentation de la quantité de porosité dans l'alliage, cette dernière a un effet nuisible sur les propriétés mécaniques; l'étude de cet effet fait partie de ce travail de recherche. Les deux alliages 319 utilisés dans ce projet sont modifiés par le strontium (-80 ppm). Par la suite, différentes concentrations de bismuth (50-9000 ppm) et calcium (50-200 ppm) sont ajoutées aux ces alliages. Les alliages fondus sont coulés dans un moule en graphite préchauffé à 600°C avec un taux de refroidissement -0.8 °C/s. Ce dernier est proche aux conditions de l'équilibre pour réaliser les différentes phases en utilisant la technique d'analyse thermique. D'autre part, le métal liquide a été coulé dans un moule métallique avec un angle variable (0.5 et 15°). Avant l'analyse métallographique, tous les échantillons ont été coupés et polis selon une technique standard. L'analyse microstructurale fut réalisée en utilisant un microscope optique combiné à un logiciel analyseur d'images de type Leco 2001 dans le but de quantifier les diverses phases. Pour identifier la nature de ces phases, les échantillons sont examinés par une microsonde électronique combiné à un système de rayons-X et un système de spectrométrie des rayons-X par longueur d'ondes. Les résultats montrent que l'effet de la modification au strontium diminue d'une façon continue avec l'addition du bismuth jusqu'à 2250 ppm. A cette concentration, on note l'absence de la surfusion de l'eutectique indiquant la non modification. Cette observation est attribuée à la réaction entre le Sr-Bi ou entre le Bi-Mg-Sr durant la solidification avant la réaction eutectique. Cette réaction diminue la quantité du Sr libre qui est nécessaire pour la modification des particules de silicium eutectique. En augmentant de plus la teneur en Bi jusqu'à 6500 ppm, on observe le retour du phénomène de la surfusion renseignant l'efficacité du bismuth comme agent de modification. Le bismuth est précipité sous forme d'oxydes contenant quelques ppm en Sr avec une bonne quantité de magnésium (~ 5%), indépendamment du taux de refroidissement appliqué. Les additions en calcium de l'ordre de 17 ppm et plus, augmentent la taille des particules de silicium eutectique, due à la formation de composés Al-Si-Ca-Sr. La nature de ces composés, dont la forme est tiges ou plaquettes, correspond respectivement aux compositions chimiques Al7(Ca,Sr)Si7 ou Al2(Ca,Sr)Si2. Un autre paramètre à considérer est la présence du magnésium dans l'alliage en question. Les impuretés comme A1P, MgAhO4 et MgO agissent comme site ou emplacement de nucléation pour la précipitation des plaquettes contenant de calcium. La croissance de cette phase aura lieu par un mécanisme de macles. En coulant dans un moule variable, la vitesse du solidus est contrôlée par la rejection du soluté à l'interface solide-liquide. Cet effet est plus significatif, particulièrement avec un petit moule (0° angle), comparé au grand moule (15° angle), et ceci est du à la grande vitesse de solidification associée au petit moule. Ce dernier montre la formation de points chauds surtout au fond du moule. En ce qui concerne la formation de porosité, le pourcentage de porosité augmente avec l'addition de bismuth (~ 2000 ppm), résultant de la formation d'oxydes de bismuth ou d'oxydes de bismuth et de strontium. Avec une concentration assez élevée en bismuth (-6000 ppm), le bismuth est partiellement oxydé. Cependant, la porosité est toujours associée à la partie de bismuth oxydée. Dans le cas du calcium, la porosité est toujours associée avec CaO qu'avec les composés en calcium mentionnés auparavant. Les oxydes de bismuth et de calcium forment de microporosité trop fine (~1 um ou moins). Cette observation explique le faible pourcentage de porosité mesurée dans ces alliages. Pour les alliages coulés en petit moule (0° angle), la porosité est fréquemment observée au voisinage de points chauds