Procédé d’amélioration de la matière première

Pour améliorer la mise en forme d’un semi-solide, la composition des matériaux peut être modifiée dans le but de déplacer les points de solidification et de fusion. La structure du matériau ou du semi-solide peut également être modifiée. C’est ce dernier point qui est développé dans ce paragraphe.

Afin de limiter les effets néfastes d’une structure dendritique sur l’écoulement d’un semi-solide lors de sa mise en forme, des procédés d’amélioration des alliages métalliques ont été développés. Ces procédés peuvent précéder la mise en forme ou être intégrés au système de formage, comme le rhéoformage.

3.2.1. Méthodes d’amélioration pour l’obtention par solidification partielle

Le principe général de tous les systèmes d’obtention en cours de solidification consiste à brasser le métal pour imposer un cisaillement suffisant au sein du liquide et empêcher ainsi la croissance des dendrites. En effet, les mouvements du liquide induits par le brassage entraînent des déformations dans les bras des dendrites. Ces déformations produisent à leur tour des phénomènes de recristallisation, qui aboutissent finalement à une fragmentation des branches.

Plusieurs systèmes de brassage ont été développés pour engendrer les mouvements nécessaires au sein du métal semi-solide, et obtenir ainsi une microstructure globulaire.

3.2.1.1. Brassage mécanique

Différents appareils ont été développés sur le plan expérimental, mais le brassage mécanique n’est pas utilisé au niveau industriel pour plusieurs raisons : faible productivité, emprisonnement de gaz, contamination du bain, érosion du système de brassage par les métaux liquides etc. Il permet d’atteindre des tailles de particules de l’ordre de 100 – 400 µm [64].

Figure I.48 : Dispositifs de brassage mécanique mono charge (à gauche) et continu (à droite) [18].

3.2.1.2. Brassage électromagnétique

Le principe consiste toujours à produire un cisaillement important au sein du liquide, mais dans ce cas précis les mouvements sont induits par des champs magnétiques. Ce type de brassage est utilisé au niveau industriel et permet d’atteindre une structure globulaire fine, de l’ordre de 30 µm [64].

Figure I.50 : Agitation électromagnétique en container d’un nouveau procédé Hitachi de moulage des métaux [2, 67].

3.2.1.3. Brassage passif

Il consiste à faire circuler le métal en cours de solidification dans des chicanes, afin de briser les dendrites [68-71]. La géométrie des chicanes est conçue pour produire un cisaillement maximum au sein du liquide.

Figure I.51 : Dispositif de brassage passif [6] d’après [71].

3.2.1.4. Autres méthodes de globulisation

Il existe également d’autres traitements permettant d’accéder à une morphologie globulaire, tels que les traitements par décharge électrique ou par ultrason, dont l’action se concentre non pas sur la croissance des dendrites, mais plutôt sur la germination de la phase solide.

3.2.2. Méthodes d’amélioration pour l’obtention par refusion partielle

Dans ce cas de figure, l’état semi-solide est atteint à partir de l’état solide, par chauffage de l’alliage. Cela sous-entend que le matériau a dans un premier temps

été totalement solidifié lors de la fabrication du semi-produit (sous forme de lingots, de barres, …), puis partiellement refondu à une température comprise entre le solidus et le liquidus du métal. Plusieurs paramètres influent donc sur la microstructure obtenue par cette voie :

 Les conditions initiales de solidification.

 Les traitements thermomécaniques éventuellement subis (recuit, vieillissement, écrouissage ...).

 Les conditions de réchauffage.

 La température et le temps de maintien dans l’intervalle solidus – liquidus. Certains cas de formation d’une structure globulaire à partir d’une structure dendritique ont été observés lors de refusions partielles. Deux mécanismes en sont à l’origine : la redissolution des dendrites fines ainsi que le détachement des branches de dendrites [31]. Si un brassage a eu lieu durant la solidification initiale, l’alliage présente déjà une microstructure non dendritique, et la structure globulaire est alors plus rapidement atteinte lors d’une refusion partielle (c’est le cas par exemple des alliages d’aluminium). Par ailleurs, on observe un grossissement des globules par coalescence lorsqu’un temps de maintien en température dans l’intervalle solidus – liquidus est appliqué. La taille des particules dépend donc essentiellement du temps de traitement thermique et de la structure initiale (dendrites fines ou non).

3.2.2.1. Utilisation d’éléments d’addition

Des agents d’affinage sont parfois utilisés durant le processus de solidification initiale. Ceux-ci favorisent l’apparition de structures dendritiques équiaxes et dégénérées, qui évoluent plus rapidement vers une structure globulaire lors de la refusion partielle. L’ajout d’agents d’affinage est régulièrement associé au brassage électromagnétique pour obtenir des structures globulaires très fines.

Une solidification initiale rapide permet d’obtenir une structure dendritique fine, qui évolue plus rapidement vers une morphologie globulaire. Divers procédés répondent à cette exigence, tels que le procédé Osprey, intéressant dans le cas d’alliages à haut point de fusion. Il consiste à vaporiser un gaz sur le métal liquide, qui est projeté à l’état semi-solide sur un substrat refroidi. Le métal développe alors une microstructure non dendritique et possède des propriétés thixotropes lors d’une refusion partielle, avec une taille de globules de 50 µm environ [64, 72].

Il est possible d’obtenir une structure globulaire à partir de la refusion partielle de poudres fines compactées de deux alliages. L’idée consiste à travailler à une température intermédiaire à laquelle l’un des composants fond tandis que l’autre reste solide.

3.2.2.2. Procédé SIMA

Le procédé SIMA (Strain Induced Melt Activated), utilisé industriellement, repose sur une déformation plastique du métal avant refusion partielle. Le matériau subit alors une recristallisation à grains fins lors du réchauffage, et des interfaces solide – liquide apparaissent par pénétration du liquide aux joints de grains. Il est possible, par ce procédé, d’obtenir des tailles de globules de l’ordre de 30 µm.[64, 72]

3.2.2.3. Le thixomolding

Nous pouvons citer également le thixomolding, procédé déjà industrialisé pour les alliages de magnésium. Il consiste à chauffer le matériau pendant son déplacement dans la machine et jusqu’à son injection dans le moule. Un cisaillement intense et constant est imposé à l’alliage durant tout son déplacement, ce qui permet de briser les dendrites et de favoriser la formation de particules solides fines et sphériques.

Figure I.52 : Représentation schématique du procédé thixomolding apparenté à l’injection plastique [6] d’après [73, 74].

3.2.3. Remarques

La mise en forme pour des matériaux n’ayant pas subi d’amélioration particulière de leur structure est possible. P. Cézard a montré [11, 57, 75], en les utilisant, que la mise en forme de lopin d’acier laminé, étiré, fritté et de différentes nuances est possible, en prenant certaines précautions.