Composition de l'alliage d'aluminium A357 : explication du silicium, du magnésium et du traitement thermique

Si un dessin indique l'A357-T6 et qu'un fournisseur expédie l'A356-T6, les pièces seront toujours boulonnées. Ils mesureront toujours correctement sur une MMT. Ils peuvent même réussir un test au banc. Ce qu'ils ne feront pas, c'est atteindre la limite d'élasticité prévue par la conception, et ce déficit a tendance à apparaître des mois plus tard sous la forme d'un boîtier fissuré, d'une face de joint suintante ou d'une rupture par fatigue au niveau d'un bossage de boulon. La différence chimique est faible sur le papier, c’est exactement pourquoi elle échappe à l’inspection à l’arrivée.

La composition en poids de l’alliage d’aluminium A357 est 6,5 à 7,5 pour cent de silicium, 0,40 à 0,70 pour cent de magnésium, un maximum de 0,20 pour cent de fer, un maximum de 0,20 pour cent de cuivre, un maximum de 0,10 pour cent de manganèse, un maximum de 0,10 pour cent de zinc et un maximum de 0,20 pour cent de titane . L'aluminium constitue le reste. Par rapport à l'A356, le plancher et le plafond en magnésium se déplacent vers le haut, et la limite en fer est maintenue plus serrée. Ces deux changements permettent d'obtenir une limite d'élasticité d'environ 15 % en plus après un traitement thermique T6 approprié.

C'est la réponse courte. Le reste de cet article décompose la chimie élément par élément, compare l'A357 aux A356 et 356 sur des chiffres réels, puis explique comment la voie de coulée et le cycle de vieillissement décident si cette chimie devient une pièce structurelle fiable ou un tas de ferraille coûteux.

Composition de l'alliage d'aluminium A357 : la chimie complète, élément par élément

Le tableau ci-dessous répertorie les limites de composition publiées pour la désignation de coulée A357.0, ainsi qu'une fenêtre cible pratique que les fonderies visent réellement à l'intérieur de ces limites. Les limites proviennent des spécifications standard de coulée d'aluminium utilisées dans l'industrie, et les mêmes numéros apparaissent dans les feuilles de désignation de l'Aluminium Association et dans le manuel ASM, Volume 15 : Coulée, qui reste la référence standard pour la métallurgie de la fonderie d'aluminium.

Un détail qui surprend les acheteurs : certaines variantes de l'A357 autorisent un très faible ajout de béryllium, de l'ordre de 0,04 à 0,07 %, pour arrondir les plaquettes contenant du fer. D'autres plafonnent le béryllium à 0,0007 pour cent et l'interdisent en pratique. Si une pièce est destinée à un environnement réglementé ou à une cellule d'usinage avec des règles strictes de traitement de l'air, cette seule ligne sur la fiche technique change quel atelier de fusion peut vous proposer un devis.

Ce que fait réellement chaque élément à l'intérieur d'un casting

Silicium à 6,5 à 7,5 pour cent

Le silicium est la raison pour laquelle cet alliage peut être coulé. Cela abaisse la plage de fusion et pousse l’alliage vers l’eutectique aluminium-silicium, qui se situe à près de 577 degrés Celsius. Avec environ 7 % de silicium, l'alliage est hypoeutectique, la structure solidifiée est donc un mélange de dendrites d'aluminium entourées d'un fin réseau eutectique. Ce réseau est ce qui vous donne une fluidité à paroi mince, une résistance à la déchirure à chaud et une contrainte de retrait raisonnablement faible.

Laissez tomber le silicium en dessous de la plage et les erreurs de fonctionnement et les larmes chaudes deviennent monnaie courante. Poussez-le au-dessus de la plage et le silicium eutectique grossit en plaques aciculaires qui agissent comme des encoches internes. Le silicium eutectique non modifié dans une pièce coulée A357 peut réduire l'allongement de 40 % ou plus par rapport à une masse fondue correctement modifiée. C'est pourquoi une addition de strontium d'environ 0,010 à 0,020 %, ou un modificateur à base de sodium, est une pratique courante.

Magnésium entre 0,40 et 0,70 pour cent

Le magnésium est l'élément de durcissement et la principale raison pour laquelle l'A357 existe en tant qu'alliage distinct. Au cours du vieillissement artificiel, de fins siliciures de magnésium précipitent dans la matrice d'aluminium et bloquent le mouvement de dislocation. L'A356 limite le magnésium à 0,45 pour cent ; L'A357 autorise jusqu'à 0,70 pour cent. Ce magnésium supplémentaire augmente la limite d'élasticité maximale d'environ 20 à 30 MPa lorsque tout le reste est égal.

Le compromis est la sensibilité du processus. L'A357 se situe plus près du bord de sa limite de solubilité, de sorte qu'un traitement en solution court ou une trempe inégale laisse derrière lui du siliciure de magnésium non dissous, et la pièce ne répond alors pas à ses spécifications tout en réussissant un contrôle spectrométrique sur le lingot entrant.

Repassage à 0,20 pour cent maximum

Le fer est le tueur silencieux de la ductilité. Au-dessus d'environ 0,25 % dans un alliage à 7 % de silicium, le fer forme des plaquettes Al5FeSi en phase bêta qui sont cassantes, semblables à des plaques et sujettes à la fissuration sous charge. Maintenir le fer à 0,20 pour cent ou moins, et de préférence à 0,15 pour cent pour un travail de qualité supérieure, maintient ces plaquettes petites et moins nocives. Cette limite plus stricte pour le fer, supérieure à celle pour le magnésium, est ce qui distingue une matière fondue A357 de qualité supérieure d'un alliage secondaire ordinaire.

Titane et raffinement du grain

Le titane à une concentration de 0,10 à 0,15 pour cent, normalement introduit via un alliage maître Al-5Ti-1B, limite la croissance des grains pendant la solidification. Les grains fins et équiaxés améliorent l'alimentation, répartissent la porosité de retrait dans des pores plus petits et mieux répartis et augmentent à la fois la résistance à la traction et l'allongement. Une matière fondue qui a été dégazée et modifiée mais dont les grains n'ont pas été raffinés présentera des grains colonnaires grossiers et une plus grande dispersion dans les résultats des tests mécaniques.

Cuivre, manganèse, zinc et seau à traces

Le cuivre est plafonné à 0,20 pour cent car il dégrade les performances de corrosion dans les environnements humides ou chargés de sel. Le manganèse à 0,10 pour cent maximum modifie légèrement la phase de fer mais ne peut pas sauver une fonte déjà riche en fer. Le zinc à 0,10 pour cent maximum est en grande partie un paramètre de contrôle des déchets. Les limites fourre-tout, 0,05 pour cent pour tout élément non spécifié et 0,15 pour cent au total, existent pour empêcher les résidus inconnus de modifier le comportement de solidification de l'alliage.

A357 vs A356 vs 356 : là où les chiffres se séparent

Ces trois alliages sont souvent cités de manière interchangeable et, lors d'une révision de dessin, ils peuvent ressembler à des variantes administratives. Ce n’est pas le cas. Le tableau ci-dessous montre les valeurs T6 publiées typiques ; les nombres réels évoluent avec le processus de coulée, l'épaisseur de la section et la position à partir de laquelle le coupon est coupé.

La lecture pratique : si votre analyse de contrainte suppose la limite d'élasticité de l'A357 et que vous recevez l'A356, vous avez discrètement perdu environ 50 MPa de marge. Sur une pièce avec un facteur de sécurité de 3, cela est invisible. Sur une pièce dimensionnée avec un facteur de sécurité de 1,4, c'est la différence entre un test de fatigue réussi et une refonte.

Traitement thermique : pourquoi la chimie seule ne suffit pas

Vous pouvez atteindre tous les nombres du tableau 1 tout en produisant une pièce souple. L'alliage n'atteint sa résistance spécifiée qu'après un cycle T6 en trois étapes, et chaque étape a une fenêtre pratique étroite.

1. Traitement en solution à environ 540 degrés Celsius pendant 6 à 12 heures, suffisamment longtemps pour dissoudre les phases riches en magnésium en solution solide.
2. Trempe, généralement dans de l'eau tiède ou un bain de polymère, suffisamment rapide pour piéger une solution solide sursaturée mais suffisamment lente pour éviter de déformer les fines sections.
3. Vieillissement artificiel à environ 155 à 170 degrés Celsius pendant 4 à 8 heures pour précipiter les fines particules de siliciure de magnésium qui assurent le renforcement proprement dit.

Le mode de défaillance classique est un délai de trempe plus long que ce que l’alliage peut tolérer. L'A357 est ici plus sensible que l'A356 car la charge plus élevée en magnésium signifie qu'une plus grande quantité de soluté doit être retenue dans la solution. Un délai de quelques minutes entre la traction de la charge et l'impact sur le réservoir de trempe peut faire chuter la limite d'élasticité bien en dessous du minimum spécifié tout en laissant la résistance à la traction légèrement affectée, ce qui rend le problème difficile à détecter avec un seul contrôle de dureté.

Les pièces de cylindre de moteur en aluminium traité thermiquement et les pièces moulées structurelles similaires en sont une bonne illustration. La même géométrie, coulée à partir de la même masse fondue, peut sortir du four à une limite d'élasticité de 250 MPa ou de 290 MPa, en fonction uniquement de la manière dont la trempe a été gérée.

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La voie de coulée change ce que la même chimie offre

L’A357 est majoritairement un alliage de la famille gravitationnelle. Il est versé dans des moules en sable, des coques d'investissement, des moules permanents en acier et des matrices de moulage sous pression à basse pression. Ce n’est pas un choix naturel pour le moulage sous pression conventionnel à haute pression, et la raison en est le gaz et non la chimie.

Le moulage sous pression à haute pression remplit une matrice en quelques millisecondes et emprisonne l'air et les produits de décomposition du lubrifiant à l'intérieur du métal. Ces vides sont invisibles jusqu'à ce que la pièce entre dans un four de traitement en solution à 540 degrés Celsius, moment auquel la pression interne augmente et la surface se boursoufle. L'A357 dépend du T6 pour atteindre sa résistance, de sorte que le processus et l'alliage tirent dans des directions opposées. Si vous souhaitez utiliser la chimie de l'A357 dans une pièce à haute pression, vous devez généralement accepter un état tel que moulé ou vieilli à basse température et une résistance correspondante inférieure.

Le moulage sous pression à basse pression se situe à un juste milieu. Le remplissage est lent et contrôlé, le tube montant alimente le métal sous pression par solidification et le piégeage de gaz est bien inférieur à celui d'un tir à haute pression. Cela fait de l’A357 basse pression une solution réaliste pour les pièces qui nécessitent à la fois un contrôle de l’épaisseur des parois et des propriétés T6 complètes. Si vous voulez savoir comment le processus remplit une cavité, cette explication du fonctionnement du moulage sous pression d'aluminium parcourt la séquence de remplissage étape par étape.

Un comparatif pratique des trois itinéraires pour les travaux de type A357 :

• Le moulage au sable offre la plus grande liberté de conception et la solidification la plus lente, ce qui grossit la microstructure et réduit l'allongement à moins que des refroidissements ne soient utilisés.
• Le moulage en moule permanent accélère le refroidissement, affine la structure des grains et ajoute généralement 20 à 30 MPa de résistance à la traction par rapport au sable pour le même alliage.
• Le moulage sous pression basse pression combine un moule permanent avec un remplissage contrôlé, maintenant la porosité du gaz suffisamment faible pour un cycle T6 complet sur des pièces à parois épaisses.

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Défauts qui remontent à la composition ou à la manipulation de la matière fondue

La plupart des rejets de l’A357 ne sont pas dus à un mauvais alliage. Ils sont causés par un mauvais traitement de la fonte. Les cinq problèmes récurrents sont les suivants :

Porosité du gaz. La solubilité de l’hydrogène dans l’aluminium liquide est environ vingt fois supérieure à sa solubilité dans l’aluminium solide. Tout hydrogène laissé dans la masse fondue après le dégazage devient des pores ronds à mesure que le métal gèle. La solution consiste à dégazer par rotation avec de l'argon ou de l'azote plus une charge propre et sèche et un niveau d'hydrogène mesuré inférieur à environ 0,15 ml pour 100 g d'aluminium pour les travaux de structure.

Porosité de retrait. L'A357 se contracte d'environ 6 à 7 % en volume lors de la solidification. Les chemins d'alimentation, les colonnes montantes et les refroidisseurs doivent être conçus de manière à ce que le dernier liquide à geler se trouve dans une colonne montante plutôt que dans un bossage de boulon. Les transitions épais à fin sont celles où cela apparaît en premier.

Inclusions d'oxydes. L'oxyde d'aluminium se forme en quelques secondes sur une surface fondue perturbée. Une coulée turbulente plie ce film dans le moulage et produit un défaut linéaire qui apparaît sur une face usinée sous la forme d'une traînée sombre qui ne se polira pas.

Déchirure à chaud. La teneur en silicium de l'A357 lui confère une bonne résistance, mais une faible teneur en silicium ou un grain fondu mal raffiné se déchirera au niveau des coins internes pointus pendant les premières minutes de refroidissement. Rayez les coins et gardez le titane au milieu de sa plage.

Cloques pendant T6. Il s’agit d’un échec de sélection de processus plutôt que d’un échec chimique, et c’est la raison la plus courante pour laquelle un acheteur découvre que la voie de coulée qu’il a choisie ne peut pas fournir la trempe spécifiée.

Où les pièces de l’A357 gagnent leur place

L'A357 apparaît partout où une pièce moulée doit supporter une charge, survivre aux vibrations et conserver une tolérance usinée. Les applications ci-dessous partagent toutes ce modèle.

• Pièces moulées structurelles pour avions et giravions, où le poids est critique et la durée de vie en fatigue est le cas de conception déterminant.
• Nœuds de suspension et de châssis automobiles, y compris les bras de commande, les articulations et les supports de sous-châssis.
• Boîtiers de pompe, de compresseur et hydrauliques qui voient la pression interne et la charge cyclique.
• Carters de moteur et embouts, où l'alliage doit maintenir les alésages des roulements pendant le cycle thermique.
• Roues et composants rotatifs, où l'équilibre entre résistance et allongement décide de la marge d'éclatement.
• Composants de gestion thermique dans les groupes motopropulseurs électrifiés, où la combinaison de la rigidité et du trajet thermique compte plus que la résistance à la traction brute.

Un carter de moteur moulé sous pression est une étude de cas représentative. La pièce présente généralement une fine paroi cylindrique, une bride de montage épaisse et des sièges de roulement usinés à chaque extrémité. Ces trois caractéristiques entraînent le comportement de solidification dans trois directions différentes à la fois : le mur veut un refroidissement rapide, la bride veut une alimentation et les alésages veulent une stabilité dimensionnelle après traitement thermique. Obtenir les trois à partir d'un seul alliage signifie conserver le silicium à mi-gamme pour la fluidité, le magnésium à mi-gamme pour la résistance et le fer à l'extrémité inférieure pour l'usinabilité.

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Liste de contrôle d'approvisionnement avant de lancer un bon de commande

Quelques questions préalables éliminent la plupart des risques liés à une commande d’A357. Parcourez-les dans cet ordre et la conversation technique devient courte.

1. Confirmez l'état, pas seulement l'alliage. L'A357-F, l'A357-T5 et l'A357-T6 sont des produits différents avec différents niveaux de résistance, et le dessin doit indiquer lequel.
2. Demandez les objectifs en matière de magnésium et de fer, pas seulement les limites. Un fournisseur visant 0,45 pour cent de magnésium livre effectivement l’A356 avec une étiquette A357.
3. Indiquer l’endroit d’où sera découpé le coupon d’essai mécanique. Un coupon découpé dans une contremarche sera toujours plus beau qu'un coupon découpé dans la pièce.
4. Convenez du dossier de traitement thermique. Le temps de solution, le délai de trempe et la température de vieillissement sont les trois chiffres qui déterminent le résultat.
5. Décidez des critères d'acceptation de la solidité interne avant le premier article, car les résultats radiographiques et de coupe entraînent des modifications d'outillage.
6. Confirmez la surépaisseur d'usinage. L'A357 usine proprement, mais les points durs dus à la ségrégation ou à un eutectique grossier détruiront en même temps une plaquette en carbure et un calendrier de livraison à temps.

Si vous voulez une réponse claire quant à savoir si votre géométrie convient à l'A357 ou à un autre alliage, envoyer le dessin et l'appel d'alliage à notre équipe d'ingénierie et nous reviendrons avec le parcours du processus, l'état réalisable et la surépaisseur d'usinage dans une seule réponse.

Questions fréquemment posées sur la composition de l’alliage d’aluminium A357

L'A357 est-il identique au 357.0 ?

Ils font référence à la même famille. A357 est la désignation de moulage utilisée dans les normes de moulage d'aluminium et 357.0 est la désignation de l'Aluminum Association pour la même composition. Lorsque vous voyez 357.0-T6 ou A357-T6 sur un dessin, lisez-les comme étant le même matériau et vérifiez les limites de magnésium et de fer pour être certain, car les dessins plus anciens comportent parfois des tolérances de fer plus faibles que la pratique actuelle.

L’A357 peut-il être moulé sous haute pression ?

Il peut être coulé dans une machine de coulée sous pression à haute pression, mais il ne peut pas facilement recevoir un traitement T6 complet par la suite, car le gaz piégé se dilate à la température de la solution et forme des cloques sur la surface. En pratique, les pièces haute pression de l'A357 sont fournies dans un état brut de coulée ou délibérément sous-vieilli. Si le dessin nécessite A357-T6, la pièce doit être acheminée vers un moulage sous pression basse pression, un moule permanent, du sable ou un moulage de précision.

Pourquoi l’A357 coûte-t-il plus cher que l’A356 ?

Trois raisons. La limite plus stricte du fer nécessite un matériau de charge plus propre et un meilleur contrôle de la fusion, ce qui réduit la quantité de ferraille à faible coût qu'une fonderie peut utiliser. La charge plus élevée en magnésium signifie un contrôle plus strict du processus pendant le traitement de la solution. Et les processus qui peuvent fournir un véritable résultat T6, comme le moulage à basse pression ou permanent, ont des temps de cycle plus longs qu'un tir à haute pression.

Comment puis-je vérifier la teneur en magnésium d’un lot entrant ?

La spectrométrie d'émission optique sur un échantillon réfrigéré provenant de la coulée est la méthode standard et ne prend que quelques minutes une fois l'échantillon préparé. Demandez que le chiffre de magnésium soit indiqué sous forme de nombre plutôt que de réussite ou d'échec devant une large fenêtre, et échantillonnez plus d'un endroit sur les grandes pièces moulées, car le magnésium peut se séparer lors d'une solidification lente.

L'A357 a-t-il besoin de béryllium ?

Non, et de nombreuses spécifications l’interdisent. Une addition de béryllium de 0,04 à 0,07 pour cent améliore la morphologie des phases ferrifères et peut contribuer au comportement de la peau d'oxyde, mais elle introduit des exigences de manipulation dans l'atelier de fusion et lors de l'usinage. La plupart des travaux de structure sont réalisés avec de l'A357 sans béryllium et avec une limite stricte en fer.

Les pièces de l'A357 peuvent-elles être soudées ?

C’est possible, avec le bon remplissage et le bon contrôle du processus, mais le soudage d’une pièce T6 crée une zone locale affectée par la chaleur qui perd de sa résistance. Lorsque la soudure n’est pas structurelle, cela ne pose pas de problème. Lorsque la soudure se trouve dans un chemin de charge, la conception doit supposer une réduction de la résistance locale dans cette zone et en tenir compte.

À quelle finition de surface et tolérance puis-je m'attendre ?

Les surfaces telles que coulées à partir d'un moule permanent ou d'une matrice basse pression présentent généralement un Ra compris entre 3,2 et 6,3 micromètres, en fonction du revêtement de la matrice et de l'épaisseur de la paroi. Les faces usinées sont limitées par l'outillage et les fixations plutôt que par l'alliage, et des tolérances générales d'usinage de plus ou moins 0,05 mm sur les alésages et les faces critiques sont courantes sur une pièce moulée stable.

L'A357 convient-il aux pièces à parois minces ?

Oui, dans certaines limites. La teneur en silicium de 7 pour cent donne une bonne fluidité et des parois jusqu'à environ 3 mm sont réalisables dans un moule permanent ou un moulage à basse pression. En dessous, le défi passe de la fluidité à la vitesse de solidification : les sections minces refroidissent si rapidement que le siliciure de magnésium peut rester partiellement non dissous même après un traitement en solution complète, et la pièce n'atteindra pas les propriétés suggérées par sa chimie.

Pour boucler la boucle : la composition de l'alliage d'aluminium A357 est définie par 6,5 à 7,5 % de silicium, 0,40 à 0,70 % de magnésium et un maximum de 0,20 % de fer, les éléments restants étant maintenus à l'état de traces et l'aluminium constituant le reste. La gamme de magnésium est ce qui le distingue de l'A356 et lui confère environ 50 MPa de limite d'élasticité supplémentaire à l'état T6. La limite du fer est ce qui préserve la ductilité. Et la voie de coulée ainsi que la discipline de trempe déterminent si l'un ou l'autre de ces avantages apparaît réellement dans la pièce finie.

Si une offre pour l'A357-T6 semble nettement moins chère que les autres, la réponse se trouve généralement à l'un des trois endroits suivants : la cible en magnésium, le plafond en fer ou la trempe réellement livrée. Demandez les chiffres et la dispute se termine rapidement.