FUSION ET SOLIDIFICATIONDES ALLIAGES DE BIJOUTERIE

La fonderie est un procédé qui permet d’obtenirdes pièces de formes et de dimensions variées,par coulée d’un métal ou alliage liquide dans unmoule. C’est dans le moule, qui présente la formevoulue, que le métal liquide se refroidit etse solidifie.

La fonderie met en œuvre :

- un moyen de fusion • le four- une empreinte à la forme désirée • le moule- un dispositif pour faire passer le métal

du four au moule.

Le phénomène essentiel en fonderie estla solidification du métal.

La solidification d’un métal pur s’effectue à unetempérature constante appelée « température desolidification » (c’est la même que la températurede fusion).

Le passage de l’état liquide à l’état solides’accompagne d’un dégagement de chaleur quiest caractéristique de chaque métal, cette chaleurest appelée chaleur latente de solidification (fig. 1).

Figure 1 : COURBE DE SOLIDIFICATION D’UN MÉTAL PUR A

Lorsqu’une masse de métal liquide se refroiditdans un moule, on voit apparaître, à la températurede solidification, des fragments de solide quigrandissent à partir de germes.

Pour que ces germes grossissent, c’est-à-dire pourque la solidification progresse, il faut que lachaleur qui se dégage soit évacuée par les paroisdu moule.

Les germes qui amorcent la solidification d’unmétal peuvent avoir deux origines :

- soit être constitués de groupements d’atomes dumétal qui prennent l’arrangement du réseaucristallin du solideC’est la germination homogène.

TECHNIQUETECHNIQUEP O I N T

N ° 9

SOLIDIFICATION D’UN METAL PUR

Température

Refroidissement du métal

Palier de solidification

Refroidissement du solide

TempsTemps

TA

germes

83 Rue du Temple 75003 PARIS - Tél.: 01 44 61 30 46 - Fax : 01 44 61 10 80

- Soit être des fragments de corps étrangers(impuretés) insolubles dans le métal liquide.C’est la germination hétérogène.

Quelle que soit la nature des germes, lasolidification du métal liquide commencetoujours à une température inférieure à latempérature de solidification, c’est le phénomènede surfusion (fig. 2 a et b).

Figure 2 a : COURBE DE SOLIDIFICATION THÉORIQUE

LES GERMES NE PEUVENT SE FORMER,ILS SE REDISSOLVENT DANS LE LIQUIDE.

Figure 2 b : COURBE DE SOLIDIFICATION RÉELLE

LA SURFUSION PERMET LA FORMATION

DE GERMES STABLES.

La surfusion permet la création de germes stablesdans le liquide lorsque ces germes ont atteint unecertaine grosseur, la température remonte à lavaleur TA et la solidification se poursuit àtempérature constante, jusqu’à la dernière gouttede liquide.

Excepté certains alliages particuliers (eutectique,péritectique, composé défini, etc...), la plupartdes alliages se solidifient dans un intervalle detempérature qui est celui compris entre leliquidus et le solidus. La solidification débute,comme pour les métaux purs, par la formation degermes qui croissent au fur et à mesure ques’éliminent les calories du métal liquide.

Figure 3 :Ces courbes de refroidissement pour une séried’alliages or-argent (Au-Ag) indiquent l’intervallede fusion des alliages. Le point ”S” représente ledébut de la solidification. A noter que l’or pur etl’argent se solidifient à des températures fixes,contrairement à leurs alliages.

Les germes qui apparaissent dans le liquide sedéveloppent dans certaines directions endonnant naissance à des arborescences appeléesdendrites. Au fur et à mesure que progresse lasolidification, les dendrites croissent jusqu’àrencontrer d’autres voisines, la solidification sepoursuit alors dans les espaces interdendritiquesjusqu’à la dernière goutte de liquide environnant(fig. 4).

Lorsque la solidification est terminée, l’aspectdendritique a généralement disparu, il a fait placeà des grains juxtaposés.

Figure 4 :

SOLIDIFICATION D’UN ALLIAGE

STRUCTURE CRISTALLINE D’UNE PIECE COULEE

Formationde dendrites

Grossissementdes dendrites

Solidification complète des grains

impuretés

temps

1100

1050

1000

950

900

80%Au-20%Ag

temps

TA

TA

θ

θsurfusion

Temps

Tem

péra

ture

°C

100% Au

60%Au-40%Ag

40%Au-60%Ag

20%Au-80%Ag1000%Ag

S

S

S

S

S

S

F

F

F

F

F F

La grosseur et la forme des grains d’un métalcoulé dépendent :

- du nombre de germes qui apparaissent dans leliquide,

- de la vitesse de croissance de ces germes.

Si le refroidissement est rapide :la surfusion est importante

➔ il y a un grand nombre de grains

les grains sont petits

Si le refroidissement est faible➔ le nombre de germes est petit

les grains sont grossiers

Lorsqu’on fait la coupe longitudinale d’un blocde métal coulé dans un moule (fig. 5), onremarque trois couches cristallines d’aspect trèsdifférent :

1re couche :

Couche mince de grains très fins formés aucontact des parois du moule. Dans cette zone, lerefroidissement est brutal, les germes sontnombreux, ils donnent naissance à des grainsfins.

Figure 5 : COUPE LONGITUDINALE D’UN BLOC DE

MÉTAL COULÉ DANS UN MOULE.

2e couche :

Elle est constituée de gros grains orientés qui sesont développés perpendiculairement à la paroidu moule. Cette couche correspond à unrefroidissement moins brutal, d’où le nombre degrains plus faible.

3e couche :

Elle est formée de grains moyens, diversementorientés.

Cette couche s’est refroidie lentement, il y a donceu peu de germes.

Nota :

Toutes les pièces de fonderie refroidies dans desmoules métalliques présentent ces 3 couches. Levolume occupé par chacune d’elles dépend deplusieurs paramètres, notamment la températurede coulée, la température du moule, le rapportmasse métal liquide/masse du moule, etc...

Lorsqu’un alliage se solidifie dans un intervallede température, il faudrait, pour que lescompositions du liquide et du solide suivent leliquidus et le solidus, une diffusion des atomesdans chaque phase. En pratique, cette diffusionse fait mal, le solide qui se dépose est formé decouches successives de compositions différentesde celle de l’équilibre.

1 Formation d’un grain

Soit un grain de l’alliage X (fig. 6) qui se solidifie.

A t1 apparaît le 1er germe de composition s1

t2 le solide qui se dépose à la composition s2

t3 le solide qui se dépose à la composition s3

t4 le solide qui se dépose à la composition s4

Bien que la diffusion des atomes tende à faireévoluer chaque couche déposée vers lacomposition d’équilibre, il subsiste dans le grain,en fin de solidification, une hétérogénéité decomposition qu’on appelle : ségrégationmineure.

Le centre d’un grain a donc une composition dif-férente de celle du bord.

SEGREGATION

➔➔

Couches desolidification

0 05 /F/ 89- 20 /1V- tP I/

DB

D

Figure 6 :

2 Remède à la ségrégation

Il n’est pas possible de supprimer les ségrégationsmineures et majeures en agissant sur lesparamètres de coulée.

Lorsqu’un métal est coulé dans un moule, sadensité varie constamment au cours durefroidissement. Pour la plupart des métaux, ladensité à l’état solide est plus élevée que celle del’état liquide (tableau II), cela entraîne, aprèssolidification complète, une contraction appeléeretrait*.

DENSITÉ ET CHANGEMENT DE VOLUME DE QUELQUES MÉTAUX

AU VOISINAGE DU POINT DE FUSION

Densité ChangementMétal du solide du solide du liquide de volume

à 20° avant fusion après fusion à la fusion

Or 19,32 18,31 17,36 + 5,5 %

Argent 10,49 9,66 9,32 + 3,7 %

Platine 21,45 20,16 18,91 + 6,6 %

Cuivre 8,96 8,35 7,94 + 5,2 %

Nickel 8,90 8,21 7,79 + 5,4 %

* Quelques éléments, comme le Si, Ge, Sb, Bi....se contractent à la fusion.

Conséquences du retrait

Le retrait est à l’origine de plusieurs défauts, nousne citerons que les plus courants.

1 Micro-retassure (ou retassure mineure)

En fin de solidification, il peut rester, entre lesdendrites, des poches que le liquide final n’a pucombler. Ces trous sont appelés micro-retassureslorsque leurs dimensions n’excèdent pasquelques dixièmes de millimètres, ou retassuresmineures dans le cas de cavités de plusieursmillimètres.

2 Retassure majeure

La solidification du métal liquide dans un mouleet le retrait qui en résulte entraînent la formationd’un creux à la partie supérieure de la piècecoulée. Ce défaut porte le nom de retassuremajeure, sa formation est illustrée en fig. 7.

Figure 7 :

3 Remède aux défauts résultant du retrait

La retassure majeure peut être diminuée par lacréation d’une masselotte dans le haut du lingot.La masselotte constitue une réserve de métalliquide. Maintenue dans une cavité isolante, ellepermet de compenser la contraction qui résultedu retrait.

On réalise une masselotte en utilisant, dans lapartie supérieure du moule, un matériau peuconducteur de la chaleur qui retarde lasolidification du métal dans cette zone.

Une masselotte bien calculée doit se solidifier endernier, après solidification complète de la pièce.

Le Service Technique.

RETRAIT

Début desolidification

Formation d’unecouche contact

parois du moule.

Retrait à l’étatsolide. Les paroisse décollent du

moule.

Fin de solidification.Retassure majeure

retassuremajeure

t1t2t3t4

S4 S3 S2 S1

X

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