Casting aluminium les alliages sont des matériaux essentiels dans l'automobile, aérospatial, machines industrielles, et l'électronique grand public, appréciés pour leurs propriétés légères (densité 2,5–2,8 g/cm³), Excellente coulée, et performances mécaniques réglables.
Basé sur leurs principaux éléments d'alliage, les alliages d'aluminium moulé sont classés au niveau international en quatre systèmes de base: Al-si (aluminium-silicium), Al-Cu (aluminium-cuivre), Al-mg (aluminium-magnésium), et Al-Zn (aluminium-zinc).
Chaque système présente des caractéristiques distinctes adaptées aux exigences spécifiques des applications, des composants aérospatiaux à haute résistance aux pièces marines résistantes à la corrosion.
Cet article fournit une analyse complète de leur classification, propriétés clés, mécanismes d'alliage, et applications industrielles - fondées sur la norme ASTM B179, ISO 3116, et d'autres normes internationales.
1. Classification: quatre grandes familles d'alliages d'aluminium moulés
| Famille | Composition typique (WT%) | Propriétés clés | Applications typiques |
| Al - Oui (Aluminium-Silicium) | Et ≈ 7–12%; + mineur Mg (≈0,2–0,6 %), en option Avec (jusqu'à ~4%) | Excellente fluidité et faible retrait de solidification; Bonne coulée et machinabilité; bonne tenue et stabilité thermique (surtout hypereutectique); durcissable par le vieillissement si Mg présent | Blocs de moteur, culasse, boîtiers de transmission, pièces moulées structurelles, composants moulés sous pression, pistons (hypereutectique pour une faible dilatation thermique) |
| Al-Cu (Aluminium–Cuivre) | Cu ≈ 3–10%; Si bas (≤ ~2%); Ajouts Mg/Mn possibles | Haute résistance à la coulée et au traitement thermique; résistance supérieure aux températures élevées et résistance au fluage (renforcement des précipitations via Al₂Cu) | Composants de moteur chauds, sièges de soupape, pièces moulées structurelles à haute charge et pièces fonctionnant à des températures élevées |
| AL - MG (Aluminium-Magnésium) | Mg ≈ 3–6%; Si petit (≈0,5–1,0 %) facultatif pour faciliter la coulabilité | Très bonne résistance à la corrosion (excellent en eau de mer); faible densité et bonne ténacité; microstructures monophasées ou quasi monophasées possibles | Matériel marin, boîtiers sous-marins, pièces structurelles légères où la résistance à la corrosion et la faible masse sont essentielles |
| Al - Zn / Al - zn - mg (Systèmes contenant du zinc) | Zn plusieurs % en poids avec Mg présent (Zn et Mg combinés pour le durcissement par précipitation) | Résistance très élevée après traitement en solution + vieillissement (T6); bonne force spécifique | Précision, des composants et des pièces structurelles à haute résistance qui seront mis en solution et vieillis (utilisé là où une résistance statique maximale est requise) |
2. La famille dominante en fonderie : les alliages Al-Si
Composition typique & microstructure
- Et: typiquement 7–12% en poids dans de nombreux grades de casting; quasi eutectique (~12,6 % en poids de Si) les compositions présentent la meilleure fluidité et le plus faible retrait de coulée.
- Autres ajouts utiles: Mg (≈0,3–0,6 % en A356) pour le vieillissement (Mg₂Si précipite); Cu (en piston ou en alliages haute température) pour une résistance à haute température;
Dans en service à haute température et dans les alliages hypereutectiques pour contrôler la fragilité du silicium. - Microstructure telle que moulée: primaire α-Al dendrites et silicium eutectique (un + Et).
Dans les alliages non modifiés, le Si eutectique est grossier et en forme de plaque; après modification le Si devient fin et fibreux.
Modification eutectique (but et agents)
But: convertir grossièrement, plaquette Si à une morphologie fibreuse fine qui améliore la ductilité, usinabilité et résistance à la fatigue.
- Sodium (N / A) — modificateur très efficace mais volatile; nécessite un dosage scellé et un contrôle minutieux.
- Strontium (SR) — le modificateur commercial le plus largement utilisé; dosage typique 0.015–0,03 % en poids; le surdosage est inefficace et peut être préjudiciable.
- Antimoine (Sb) — utilisé en combinaison avec Sr dans certains systèmes pour stabiliser la modification.
- Terres rares — de petits ajouts peuvent stabiliser et prolonger les effets de modification dans certains alliages.
Impuretés nocives et leur contrôle
- Fer (Fe) — impureté de clochard commun qui se forme dur, intermétalliques fragiles (Par exemple, FeAl₃, Al₉Fe₂Si₂) qui fragilisent les pièces moulées et dégradent l'état de surface et la résistance à la corrosion.
Atténuation: ajouter MN (≈0,3–0,5 %) ou Croisement (≈0,1–0,2 %) modifier les phases Fe en des morphologies moins nocives (Al₆(Fe,MN)), et contrôler la matière première des déchets. - Phosphore (P) — réagit avec Na et dégrade la modification; contrôler étroitement la teneur en P de la charge du four.
- Sn/Pb — forment des eutectiques à bas point de fusion provoquant un manque de chaleur et des brûlures; garder < ~0,05% si possible.
- Calcium (Californie) — peut former des composés à point de fusion élevé qui réduisent la fluidité et favorisent le retrait; Contrôle Ca < ~0,05% pour une bonne coulabilité.
Alliages de coulée Al-Si représentatifs et applications
- A356.0 / Et ac-alsi7mg (≈Si 7,0–7,5 %, mg 0,3 à 0,5 %) — sable largement utilisé & alliage de moulage permanent; à la chaleur (T6); applications: blocs de moteur, logements structurels, roues.
- A357 — similaire à l'A356 mais avec un contrôle plus strict du Fe et des propriétés mécaniques plus élevées.
- A319 / A380 (familles de moulage sous pression) — Alliages de moulage sous pression Al–Si–Cu utilisés pour les corps de pompes automobiles, centres de roue, logements de boîte de vitesses.
- Al–Si hypereutectique (Et > 12%) — utilisé pour les pistons et les applications coulissantes en raison de sa très faible dilatation thermique et de son bon comportement à l'usure (souvent allié avec du Ni/terres rares pour réduire la fragilité). Exemple de composition: AlSi12Cu2Mg pour alliages de pistons haute température.
3. Alliages moulés Al-Cu – haute résistance et capacité à températures élevées
Métallurgie & performance
- La force vient de Al₂cu (ème) précipités formés au vieillissement; Le Cu favorise une résistance élevée lors de la coulée et du traitement thermique et une bonne résistance au fluage à des températures élevées.
- Compromis: Cu augmente la tendance au manque de chaleur, ségrégation et retrait lors de la solidification; la pratique du casting doit répondre à ces problèmes.
Compositions typiques & usages
- Alliages coulés à haute teneur en Cu (Par exemple, Al–Cu avec 3–10 % de Cu): utilisé pour les vannes, sièges, et composants nécessitant une stabilité thermique et une résistance mécanique à température élevée.
- Renforcement multicomposant (ajout de Mn, Mg, etc.) peut produire des dispersions complexes qui améliorent à la fois la résistance et la maniabilité à chaud.
4. Alliages moulés Al-Mg — résistance à la corrosion et allègement
Attributs clés
- Mg 3 à 6 % en poids dans les variantes coulées, produit des phases Al₃Mg₂; lorsqu'il est correctement traité, de nombreux alliages moulés Al-Mg présentent une excellente résistance à la corrosion (en particulier dans la marine, environnements porteurs de chlorure) et une densité inférieure à celle des alliages de coulée Al-Si typiques.
- La finition de surface et la qualité de l'oxyde sont importantes; Le magnésium est sujet à l'oxydation pendant la fusion, le contrôle de la fusion est donc essentiel.
Applications typiques
- Composants marins, structures flottantes, boîtiers résistant à la corrosion et pièces légères où une résistance spécifique élevée à la corrosion et une résistance modérée sont requises.
Notes de traitement
- Utiliser une atmosphère contrôlée ou un fluxage, minimiser les turbulences pour réduire les scories et la capture d'hydrogène, et ajoutent souvent du petit Si pour améliorer la coulabilité.
5. Al - Zn (dont Al–Zn–Mg) alliages moulés — haute résistance après traitement thermique
Caractéristiques
- Zn (souvent associé à Mg) fournit un système d'alliage qui répond bien au traitement de la solution et au vieillissement (T6) production très haute limite d'élasticité et résistance à la traction.
- La fabricabilité telle que moulée est moins conviviale (plus grande tendance à la porosité et à la déchirure à chaud) un contrôle minutieux du déclenchement et de la solidification est donc nécessaire.
Applications
- Précision, pièces à haute résistance pour lesquelles un traitement thermique après coulée est acceptable : raccords aérospatiaux et certains composants d'instrumentation de précision.
6. Castabilité comparative et conseils de sélection
| Famille d'alliages | Coulée | Force typique (à l'étranger / T6) | Corrosion | Meilleures utilisations typiques |
| Al - Oui | Excellent (meilleur) | Modéré → bon (T6 s'améliore) | Bien | Castings généraux, blocs de moteur, logements, roues |
| Al-Cu | Passable → difficile | Haut; bonne résistance à T élevé | Modéré | Composants du moteur, vannes, pièces de travail chaudes |
| AL - MG | Modéré (contrôle de la fonte nécessaire) | Modéré | Excellent (marin) | Marin, léger, pièces résistantes à la corrosion |
| Al - Zn / Al - zn - mg | Modéré à médiocre; mieux après traitement thermique | Très élevé après T6 | Variable; souvent inférieur à Al–Mg | Précision, pièces à haute résistance après vieillissement |
7. Traitement thermique de la fonte d'aluminium — Règles pratiques
Le traitement thermique est le principal outil pour convertir une microstructure d'aluminium moulée en un matériau contrôlé., état de fonctionnement.
Pour les alliages coulés, les objectifs communs sont:
(1) augmenter la résistance par un traitement en solution + éteindre + vieillissement (Traitements T);
(2) réduire la ségrégation et l’inhomogénéité chimique par homogénéisation;
(3) soulager les contraintes de coulée et restaurer la ductilité par recuit;
(4) stabiliser la microstructure pour une stabilité dimensionnelle en service.
Fenêtres de traitement typiques (référence pratique)
(Les valeurs sont des conseils d’ingénierie; Vérifiez auprès du fournisseur d'alliage et de la norme de produit pour connaître les régimes exacts.)
| Traitement | Température typique (° C) | Temps de trempage typique | Alliages typiques / remarques |
| Homogénéisation | 420–520 ° C | 2–12 h (en fonction de l'épaisseur) | Utile pour les grandes pièces moulées Al-Cu et certains alliages Al-Si à haute teneur en Cu |
| Traitement de la solution | 480–520 ° C | 1–6h (dépendant de la section) | Al-Si-Mg (A356/A357): ~495 °C; Alliages Al-Cu souvent ~495-505 °C |
| Éteindre | eau (~20–40 °C) ou trempe polymère | immédiat; minimiser le temps entre le four et la trempe | La gravité de l'extinction est critique pour la réponse T6; les sections lourdes nécessitent une modélisation de trempe |
Vieillissement artificiel (T6) |
150–185 °C | 4–12 h (dépend de l'alliage & propriétés souhaitées) | A356 T6: typique 160-180 °C pendant 4-8 h; Les alliages Al-Zn-Mg varient – suivez les spécifications |
| Stabilisation / T7 (excédent) | 170–200 ° C | vieillissement plus long (Par exemple, 8–24h) | Utilisé là où la stabilité thermique > température de service prioritaire (moins de force maximale, plus de stabilité) |
| Recuire / soulagement du stress | 300–400 ° C (faible) | 0.5–2 h | Pour la récupération de la ductilité et le soulagement des contraintes; éviter de rester dans les plages de formation de sigma (ne s'applique pas à la plupart des Al) |
Important: échelle des temps de trempage avec la taille de la section. Utilisez des calculs de masse thermique ou des tableaux de fournisseurs pour déterminer les temps de maintien pour des sections transversales de coulée spécifiques..
Défauts courants du traitement thermique et prévention
- Solutionisation insuffisante (basse température / peu de temps) → dissolution incomplète des phases solubles; entraîne une réponse à l'âge plus faible et de mauvaises propriétés mécaniques.
Prévention: suivre les profils temps-température ajustés à la taille de la section; utiliser des thermocouples ou une simulation pour vérifier le trempage. - Sursolutionisation (température trop élevée / temps trop long) → fusion naissante des phases eutectiques à bas point de fusion (surtout dans les alliages à haute teneur en Cu) et grossissement des grains.
Prévention: respecter le T max et éviter la surchauffe; utiliser le contrôle du four & graphiques. - Éteindre les fissures / distorsion → gradient thermique excessif ou retenue lors de la trempe.
Prévention: luminaires de conception, utiliser une trempe étagée ou une trempe polymère pour les très grandes pièces; permettre une extraction contrôlée de la chaleur. - Adoucissement de l'âge dans le service → si le service s'approche de la température de vieillissement, un ramollissement prématuré se produit.
Prévention: choisissez T7/condition de survie, ou sélectionnez un alliage plus stable thermiquement (Ni-stabilisé) pour T élevé. - Corrosion superficielle après traitement thermique → les résidus de sels de trempe ou d'eau contaminée peuvent attaquer l'aluminium.
Prévention: nettoyage approfondi immédiat (eau déminéralisée), neutraliser les sels de trempe, et appliquer une conversion ou des revêtements de protection.
Considérations particulières par famille d'alliages
- Al-Si-Mg (Par exemple, A356/A357): commun T6: solution ~495 °C, éteindre, âge 160-180 °C.
Sensible aux effets de porosité; le traitement thermique améliore la résistance, mais les gaz piégés peuvent réduire l'efficacité mécanique. - Alliages Al-Cu: exiger une homogénéisation pour les grosses pièces moulées afin de réduire la ségrégation avant la mise en solution; contrôle minutieux pour éviter une fusion naissante des constituants à faible point de fusion.
- Alliages Al – Zn – Mg: très réactif au T6 mais très sensible à la trempe; risque de fissuration par corrosion sous contrainte en cas de séquence de vieillissement/trempe incorrecte et de contraintes résiduelles — contrôler les niveaux d'impuretés et la réduction des contraintes.
- Alliages Al-Mg: beaucoup ne sont pas durcissables par précipitation (ou seulement très peu); le traitement thermique se concentre sur le recuit/le soulagement des contraintes plutôt que sur le renforcement du T6.
8. Exemples d'alliages pratiques et adaptation aux applications
- Structure générale, pièces moulées pouvant être traitées thermiquement: A356/A357 (Al-Si-Mg) — carters de moteur, engrenages, pièces de roue.
- Pièces structurelles moulées sous pression (automobile): A380 / Famille A319 (Al-Si-Cu moulé sous pression) — corps de pompe, carters de boîte de vitesses, centres de roue.
- Pistons haute température / pièces à faible dilatation: Al–Si hypereutectique (Si 12–18 % en poids) avec ajouts de Ni/RE — pistons, roulements de précision.
- Marin / critique pour la corrosion: Variantes de fonte Al – Mg (Mg 3 à 6 % en poids) — raccords et boîtiers d'eau de mer.
- À haute résistance, pièces traitées thermiquement: Alliages coulés Al–Zn–Mg (soumis au traitement T6) — composants de précision nécessitant une résistance statique élevée.
9. Conclusions
Les alliages d'aluminium moulé constituent une famille polyvalente qui peut être adaptée à une large gamme de paramètres mécaniques., performances thermiques et anticorrosion grâce à une sélection judicieuse des alliages, faire fondre, modification, traitement thermique et formage.
Alliages Al-Si sont l'épine dorsale du monde de la fonte d'aluminium car ils allient une coulabilité supérieure avec de bonnes performances mécaniques et une bonne réponse au traitement thermique.
Al-Cu et Al - Zn les systèmes offrent une résistance et une résistance à la chaleur plus élevées au détriment de la coulabilité; AL - MG les alliages sont irremplaçables là où la résistance à la corrosion et la faible densité sont primordiales.
Pour des performances fiables des composants, coupler un choix d'alliage approprié (utiliser des désignations internationales reconnues telles que A356/A357, A319/A380, AlSi12Cu2Mg etc.) avec un contrôle strict des impuretés, pratique de modification correcte pour les familles Al – Si (M./Na) et la bonne voie de coulée/traitement thermique.
FAQ
Quel est l’alliage d’aluminium moulé le plus largement utilisé?
A356.0 (Série Al) est le plus courant, représentant environ 40 % de la production mondiale de fonte d'aluminium en raison de sa coulabilité équilibrée, force, et résistance à la corrosion.
Quel alliage d'aluminium moulé est le meilleur pour les applications marines?
535.0 (Série Al-Mg) offre une résistance exceptionnelle à la corrosion de l’eau de mer (taux de corrosion <0.005 mm / an) et propriétés légères, ce qui le rend idéal pour les équipements marins.
Les alliages Al-Cu peuvent-ils être utilisés pour des pièces moulées complexes?
Non : les alliages Al-Cu ont une mauvaise coulabilité (faible fluidité, rétrécissement élevé) et ne conviennent pas aux géométries complexes. Utilisez A356.0 ou A380.0 pour les pièces complexes nécessitant une haute résistance.
Quel traitement thermique est requis pour les alliages Al-Zn-Mg?
Alliages Al-Zn-Mg (Par exemple, 712.0) nécessitent un traitement thermique T6 (Traitement de la solution + vieillissement artificiel) pour obtenir une résistance élevée : la résistance à l'état brut de coulée est trop faible (~180 MPa) et ne convient pas aux applications pratiques.
Comment améliorer la coulabilité des alliages Al-Mg?
Ajouter 0,5 à 1,0 % de Si pour former des phases eutectiques, améliorer la fluidité, et utiliser une protection contre un gaz inerte pendant la fusion pour empêcher l'oxydation du magnésium.
