Principaux alliages d'aluminium à haute résistance pour le moulage sous pression

TL ;DR

La sélection d'alliages d'aluminium à haute résistance pour la fonderie sous pression implique un compromis entre la résistance maximale et la facilité de fabrication. Pour une résistance mécanique optimale, les alliages de série 200 et les alliages zinc-aluminium comme le ZA-27 sont parmi les meilleurs candidats. Toutefois, des alliages comme l'A360 offrent un meilleur équilibre entre résistance aux températures élevées et résistance à la corrosion, tandis que le B390 assure une résistance exceptionnelle à l'usure. Les propriétés finales sont souvent considérablement améliorées grâce à des traitements thermiques tels que le T6.

Comprendre les familles d'alliages d'aluminium pour la fonderie sous pression

Avant de choisir un alliage spécifique, il est essentiel de comprendre les principales familles ou séries d'alliages d'aluminium utilisées dans la fonderie sous pression. Désignées par l'Aluminum Association, ces séries regroupent les alliages selon leurs éléments d'alliage principaux, qui déterminent leurs caractéristiques fondamentales. Le processus de sélection d'un ingénieur commence souvent à ce niveau afin de réduire les options en fonction des exigences essentielles de l'application.

Chaque série offre une combinaison différente de propriétés mécaniques, de caractéristiques de moulage et de coûts. Par exemple, alors qu'une série peut offrir une résistance extrême, elle peut être plus difficile et plus coûteuse à mouler qu'une série plus courante et polyvalente. Comprendre ces différences fondamentales est essentiel pour prendre une décision éclairée.

Les séries les plus courantes en fonderie sous pression présentent des avantages distincts :

• série 2xx.x (Cuivre) : Connu pour avoir la plus grande résistance parmi les alliages d'aluminium, la série 200 peut atteindre des propriétés mécaniques presque deux fois supérieures à celles de la série 300, plus courante. Cette résistance s'obtient toutefois au détriment d'une moindre résistance à la corrosion et d'une fonderie plus difficile.
• série 3xx,x (Silicium + Cuivre/Magnésium) : Il s'agit de la série la plus populaire et la plus utilisée pour le moulage sous pression, avec l'A380 qui constitue l'alliage de référence dans l'industrie. Ces alliages offrent une excellente combinaison de facilité de moulage, de résistance modérée et de rentabilité, ce qui les rend adaptés à un très large éventail d'applications.
• série 4xx,x (Silicium) : Ces alliages, comme le 413, sont appréciés pour leur excellente fluidité en fonte et leur étanchéité sous pression. Cela en fait un choix idéal pour des pièces complexes ou des composants devant contenir des liquides ou des gaz sans fuite, comme les vérins hydrauliques.
• série 5xx,x (Magnésium) : La série 500, incluant des alliages comme le 518, se distingue par une excellente résistance à la corrosion, particulièrement dans les environnements marins, ainsi que par des caractéristiques de finition de surface supérieures. C'est un choix privilégié pour les pièces nécessitant une anodisation à des fins esthétiques ou protectrices, bien qu'il puisse être plus sujet aux fissures à chaud pendant la coulée.

Les meilleurs alliages à haute résistance : une comparaison détaillée

Bien que l'alliage 380 soit le choix le plus courant pour des applications générales, plusieurs alliages spécialisés offrent des caractéristiques de résistance et de performance supérieures, nécessaires pour des rôles plus exigeants. Ces matériaux sont sélectionnés lorsque les alliages standard ne peuvent pas répondre aux exigences mécaniques, thermiques ou de résistance à l'usure de la pièce. Le choix implique une analyse minutieuse des compromis entre la résistance ultime, l'aptitude à la fonte et d'autres propriétés critiques.

Les options les plus résistantes proviennent souvent de la série 200 ou des familles spécialisées de zinc-aluminium (ZA). Selon Service général de fonderie , les alliages de la série 200 sont connus pour leur très haute résistance. Parallèlement, les alliages ZA comme le ZA-27 offrent une résistance à la traction pouvant être nettement supérieure à celle des alliages d'aluminium traditionnels. Voici une comparaison des principaux candidats pour les applications de moulage sous pression à haute résistance.

Lorsque l'on compare ces options, l'A360 est souvent choisi lorsque la pièce doit fonctionner dans un environnement agressif ou à des températures élevées sans subir de défaillance. Comme indiqué par Rapid Axis , il allie résistance, ductilité et résistance à la corrosion, bien que sa difficulté de coulée impose de tenir compte de la géométrie des pièces. Le B390 est le choix privilégié pour les applications soumises à l'usure et au frottement. Sa teneur élevée en silicium confère une dureté lui permettant de résister aux forces abrasives, ce qui en fait un matériau idéal pour les composants de moteurs à combustion interne. Pour les applications exigeant la résistance maximale absolue, les séries 200 et le ZA-27 sont les principaux candidats, même s'ils nécessitent une expertise de moulage plus spécialisée et peuvent impliquer des coûts plus élevés.

Le secret de la résistance ultime : le rôle du traitement thermique

Le simple fait de choisir un alliage à haute résistance ne représente qu'une partie de la solution. Pour de nombreux alliages d'aluminium, en particulier les alliages de fonderie des séries 200 et 300 comme les 356 et 357, leurs propriétés mécaniques finales sont obtenues par traitement thermique. Ce procédé métallurgique consiste à chauffer et refroidir de manière contrôlée afin de modifier la microstructure du métal, ce qui entraîne des augmentations significatives de la dureté, de la résistance à la traction et de la limite d'élasticité.

Le traitement thermique peut stabiliser les dimensions d'une pièce, éliminer les contraintes internes dues au processus de moulage et optimiser ses performances pour l'application finale. Comprendre les différentes conditions de traitement thermique, ou états, est essentiel pour tout ingénieur spécifiant une pièce moulée haute performance. Ces états sont désignés par un 'T' suivi d'un chiffre.

Les états les plus courants permettant d'améliorer la résistance des pièces moulées en aluminium incluent :

• F (moulé sans traitement) L'état de la pièce moulée juste après la solidification, sans traitement thermique ultérieur. Les propriétés sont basiques et peuvent évoluer avec le vieillissement naturel.
• T5 (Vieilli artificiellement) : La pièce moulée est refroidie à partir de la température de coulée, puis soumise à un traitement de vieillissement à basse température. Cela assure une bonne stabilité dimensionnelle et une augmentation modérée de la résistance.
• T6 (Traitée en solution et vieilli artificiellement) : Il s'agit d'un procédé en deux étapes permettant d'obtenir une résistance maximale. La pièce moulée est d'abord chauffée à haute température pour dissoudre les éléments d'alliage dans une solution solide, puis rapidement trempée dans un liquide afin de les bloquer en place. Elle est ensuite vieillie artificiellement à une température plus basse pour précipiter ces éléments, ce qui durcit et renforce considérablement le matériau.
• T7 (Traitée en solution et stabilisée) : Similaire au T6, mais le processus de vieillissement final est effectué à une température plus élevée ou pendant une durée plus longue. Cela amène l'alliage au-delà de sa dureté maximale afin d'assurer une meilleure stabilité dimensionnelle et une relaxation des contraintes, même si cela entraîne une légère réduction de la résistance ultime par rapport au T6.

En spécifiant un traitement thermique T6, un ingénieur peut transformer une pièce modérément résistante fabriquée à partir d'un alliage comme le 356 en un composant structurel haute performance capable de supporter des charges beaucoup plus importantes.

Au-delà de la résistance : facteurs critiques dans le choix de l'alliage

Bien que la résistance à la traction soit une préoccupation majeure, ce n'est presque jamais le seul facteur qui détermine la réussite d'un alliage. Une approche globale du choix des matériaux est essentielle, car se concentrer uniquement sur la résistance peut entraîner des défaillances liées à la fabrication ou à l'exposition environnementale. Plusieurs autres propriétés doivent être soigneusement évaluées afin de garantir que l'alliage choisi convient tant au procédé de production qu'à l'application finale.

Parmi celles-ci, les plus importantes sont facilité de moulage , ce qui fait référence à la facilité avec laquelle un alliage peut être formé en une pièce de qualité. Cela inclut la résistance à des défauts tels que la fissuration à chaud (fissures apparaissant lors de la solidification) et le collage au moule (l'adhérence de l'alliage au moule). Comme détaillé par des experts chez Gabrian , les alliages ayant une faible aptitude à la fonte peuvent entraîner des taux de rebut plus élevés et des coûts de production accrus. Un autre facteur essentiel est résistance à la corrosion . L'environnement de fonctionnement de la pièce détermine le niveau de résistance requis. Par exemple, l'A360 présente une excellente résistance à la corrosion, ce qui le rend adapté aux applications extérieures ou marines, tandis que l'A380 offre seulement une résistance moyenne à cet égard.

D'autres propriétés telles que étanchéité à la pression (critique pour les composants hydrauliques), résistance à l'usure (pour les pièces en contact mobile), et machinabilité doivent également être prises en compte. Pour guider cette décision complexe, les concepteurs doivent se poser les questions suivantes :

• Quelle est la température maximale de fonctionnement que la pièce devra supporter ?
• La pièce sera-t-elle exposée à des éléments corrosifs tels que l'eau salée, les produits chimiques ou le sel de voirie ?
• Le composant doit-il être étanche à la pression pour contenir des liquides ou des gaz ?
• Quelles opérations de finition secondaires, telles que l'anodisation ou la peinture, sont requises ?
• Quelles sont les contraintes budgétaires du projet ?

Bien que le moulage sous pression offre un excellent équilibre entre résistance, complexité et vitesse de production, certaines applications, notamment dans le secteur exigeant de l'automobile, peuvent nécessiter une résistance ou une résistance à la fatigue encore supérieure, incitant les concepteurs à opter pour d'autres procédés comme le forgeage. Par exemple, les spécialistes des pièces forgées automobiles, tels que Technologie métallique de Shaoyi (Ningbo) , utilisent des procédés tels que le forgeage à chaud pour produire des composants robustes lorsque l'intégrité maximale du matériau est une priorité absolue.

Questions fréquemment posées

1. Quel est l'aluminium le plus résistant pour le moulage sous pression ?

Les alliages d'aluminium les plus résistants pour le moulage sous pression se trouvent généralement dans la série 200 (aluminium-cuivre), qui peuvent être traités thermiquement afin d'obtenir des propriétés mécaniques très élevées. De plus, les alliages de zinc-aluminium, notamment le ZA-27, sont connus pour leur grande résistance, avec une limite de résistance à la traction pouvant être nettement supérieure à celle des alliages d'aluminium couramment utilisés en moulage sous pression. Toutefois, ces deux options sont plus difficiles à mouler et sont réservées aux applications hautes performances où une résistance maximale est essentielle.

2. Peut-on utiliser l'aluminium 6061 en moulage sous pression ?

Bien que l'aluminium 6061 soit un alliage très populaire et très résistant, il n'est généralement pas utilisé en moulage sous pression haute pression. Sa composition chimique et ses caractéristiques de solidification le rendent sujet à des défauts tels que la fissuration à chaud dans les conditions de refroidissement rapide du moulage sous pression. Il est toutefois couramment utilisé dans d'autres procédés de moulage comme le moulage par gravité ou le moulage en sable, où les vitesses de refroidissement sont plus lentes et mieux contrôlées.