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RÉSUMÉ
La mise en forme des alliages à partir d’un état déjà partiellement solidifié est bien préférable à la mise en forme à l’état liquide, car elle évite les inconvénients de la montée en température. En quelques années, elle a atteint la phase de production industrielle, grâce entre autres à la mise au point de procédés fondés sur une solidification contrôlée de l’alliage. Toutes les techniques de formage qui ont été expérimentées dérivent de celles utilisées pour l’état complètement liquide ou complètement solide. Les caractéristiques de ces procédés sont essentiellement une forte compacité et une haute précision tridimensionnelle des pièces, des propriétés mécaniques excellentes et des états de surface comparables à ceux de la fonderie.
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Michel SUERY : Docteur ès Sciences - Directeur de recherche au Centre National de la Recherche Scientifique
INTRODUCTION
La mise en forme des alliages à partir de l'état liquide peut être réalisée selon différents procédés ayant tous en commun le fait que l'alliage doit être coulé liquide à une température suffisante pour permettre le remplissage correct du moule. Il en résulte alors souvent des problèmes aigus de ségrégation, d'apparition de porosités et de fissures et de formation de retassures. La mise en forme à une température plus basse, à partir d'un état déjà partiellement solidifié, semble, a priori, très intéressante ; elle se heurte cependant au caractère dendritique de la solidification qui fait que l'alliage ne peut être coulé avec succès dans un moule dès que la fraction volumique solidifiée dépasse 20 à 30 % environ. Cet état ne peut davantage subir de déformations importantes sans apparition de fissures et ségrégation de la phase liquide. Des travaux menés au MIT (Massachusetts Institute of Technology) dans les années 1970 ont montré qu'un brassage mécanique intense du liquide en cours de solidification peut empêcher la formation de cette structure dendritique et conduire ainsi à une gelée semi-solide à viscosité relativement faible, susceptible d'être mise en forme dans cet état. Les premiers travaux furent rapidement mis à profit pour appliquer la technique à des alliages ferreux dans le cadre de programmes supportés par le gouvernement américain. La faisabilité de la mise en forme semi-solide fut ainsi démontrée, non seulement par moulage par injection de la gelée produite par brassage, mais aussi par moulage de billettes semi-solides obtenues par refusion partielle de barres ou de lingots préalablement solidifiés à partir de la gelée.
Depuis, des progrès importants ont été réalisés. Dans un premier temps, l'utilisation d'un brassage électromagnétique a été généralisée pour l'obtention de la gelée. Puis, de nouveaux procédés, fondés sur une solidification contrôlée de l'alliage, ont été proposés afin de générer la structure globulaire de façon plus économique. En parallèle, d'autres procédés de mise en forme à l'état semi-solide (forgeage, laminage, extrusion) ont pu être développés.
Le rhéoformage désigne l'ensemble des procédés de mise en forme appliqués aux alliages dans l'état semi-solide obtenu au cours de la solidification.
Le thixoformage désigne l'ensemble des procédés de mise en forme appliqués aux alliages dans l'état semi-solide obtenu au cours d'une refusion partielle.
Les pourcentages entrant dans la composition des alliages sont, sauf précision contraire, des pourcentages massiques.
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Mise en forme à partir de l'état semi-solide
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2. Rhéologie
2.1 Propriétés des matériaux en cours de solidification
La détermination des propriétés rhéologiques des alliages en cours de solidification a été faite, dès les premiers travaux, dans un viscosimètre de type Couette. Son avantage est de permettre d’obtenir l’alliage à structure globulaire directement dans le dispositif. Au cours de l’essai, l’alliage est en effet cisaillé entre deux cylindres concentriques, le cylindre intérieur étant fixe, et le cylindre extérieur tournant à une vitesse angulaire constante.
Un cylindre extérieur fixe et un cylindre intérieur en rotation définissent un viscosimètre Searle. Le couple nécessaire pour cisailler l’alliage est enregistré en continu. De la vitesse angulaire et du couple, il est possible de déduire la vitesse et la contrainte de cisaillement moyennant certaines hypothèses simplificatrices. L’essai est alors facile à réaliser, mais des problèmes se posent dès lors que des expériences très propres doivent être faites pour générer des données quantitatives.
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Le viscosimètre permet ainsi de déterminer la viscosité dynamique apparente (du liquide équivalent), qui est un paramètre physique mesurant la résistance à l'écoulement d'un fluide soumis à un cisaillement.
Une autre grandeur qui a été également déterminée est la fluidité, qui est un paramètre technologique caractérisant l'aptitude du métal à remplir un moule, généralement mesurée par la longueur parcourue dans une conduite donnée et sous une pression donnée par un alliage avant sa solidification complète.
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Des études effectuées sur différents alliages ont permis d'établir des relations entre les différents paramètres (figures 14 et 15).
Ci-dessus : Influence de la vitesse moyenne de cisaillement
au sein de l'alliage sur les variations de la viscosité apparente d'un alliage Sn – 15 % Pb en fonction de la fraction volumique g...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - RICE (C.S.), MENDEZ (P.F.) - Slurry-based semi-solid die casting - Advanced Materials and Processes, Vol. 159, p. 49-52 (2001).
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(2) - FANG (X.), PATEL (J.), FAN (Z.) - Microstructure and mechanical properties of rheodiecast (RDC) aluminium alloys - 67th world Foundry Conference, Harrogate (5-7 June 2006).
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(4) - YURKO (J.A.), MARTINEZ (R.A.), FLEMINGS (M.C.) - SSR : the spheroidal growth route to semi-solid forming - Proc. 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus (Sept. 2004).
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(5) - LANGLAIS (J.), LEMIEUX (A.) - The SEED technology for semi-solid processing of aluminium alloys : a metallurgical and process overview - Solid State Phenomena, vol. 116-117, p. 472-477 (2006).
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