1.4.19 Entraînement de l’oxyde liquide (contrôle de la forme de l’inclusion)

Dans le cas des métaux à bas point de fusion tels que les alliages à base de cuivre et en dessous, l’oxyde de surface est invariablement solide, de sorte que toute turbulence de surface entraîne l’entraînement de bifilms et de bulles. Ces alliages à bas point de fusion à base de Mg, Al et Cu (en particulier les alliages tels que le bronze d’aluminium) sont tous sérieusement altérés par les bifilms entraînés par de mauvais systèmes de remplissage.

Si l’oxyde de surface sur le métal liquide est un liquide, alors l’impact ou le pliage de la surface liquide entraînera un contact oxyde liquide – à – oxyde liquide, de sorte que les interfaces liquides en collision coalescent, se reformant rapidement en gouttelettes d’oxyde liquide pour réduire l’énergie de surface. Les plus grosses gouttelettes vont flotter rapidement hors du métal. Le métal bénéficie d’un avantage significatif car il ne contient plus que des inclusions sphériques relativement inoffensives qui étaient trop petites pour être évacuées à temps. La liquéfaction de l’oxyde de surface par l’alliage du métal ou, dans le cas des aciers, par l’utilisation de techniques de désoxydation spécifiques, est donc un mécanisme d’une importance majeure pour la réduction des bifilms dans les métaux. Les métallurgistes appellent fièrement cela « le contrôle de la forme de l’inclusion ». Cette fierté est justifiée, même si l’effet majeur réside dans l’évitement des bifilms, ce qui, bien sûr, n’était pas connu. Si cela avait également été réalisé, la justification de la fierté aurait dû être doublée !

Les inclusions sphériques pourraient être complètement « inoffensives » dans l’acier, dans le sens où elles ne devraient pas subir de fracture ou initier une décohésion de la matrice. Cependant, si elles proviennent d’un événement d’entraînement qui a également entraîné de l’air, les petites quantités d’oxygène et d’azote auront été rapidement absorbées dans l’inclusion, ou même dissoutes dans la matrice, mais le 1% d’argon résiduel sera resté dans l’inclusion. Ce volume gazeux contribuera à diminuer l’énergie de formation d’une rupture de volume, telle qu’une fissure ou une décohésion. L’inclusion sphérique n’est donc pas toujours entièrement « inoffensive ».

Les aciers sont compliqués. Leurs points de fusion élevés, généralement de l’ordre de 1500 C, signifient que certains oxydes continueront à être solides, créant des problèmes de bifilm, tandis que d’autres seront au-dessus de leurs points de fusion, évitant ainsi largement les bifilms. En outre, les aciers doivent généralement être désoxydés avant de pouvoir être coulés. Ce processus est nécessaire pour éviter que l’excès d’oxygène en solution ne réagisse avec le carbone de l’acier pour former du monoxyde de carbone, CO, et ainsi créer des porosités ou, dans un cas grave, faire « bouillir » l’acier pendant la congélation. (Certains d’entre nous, anciens ingénieurs métallurgistes, se souviennent avec tendresse des spectacles pyrotechniques spectaculaires des jours dans l’aciérie lors de la coulée d’aciers à rimming.)

Comme nous l’avons noté précédemment, dans le cas simple de la désoxydation de nombreux aciers au carbone et aciers faiblement alliés, l’aluminium est utilisé comme désoxydant très efficace. Cependant, après le traitement de désoxydation, un certain excès d’Al reste, et est maintenant disponible pour réagir avec l’air pendant la coulée – un processus connu sous le nom de « réoxydation ». Le point de fusion très élevé de l’oxyde d’aluminium alumineux (2050 C) garantit qu’un oxyde solide formant des bifilms se produira pendant la coulée de l’acier à travers l’air, même si l’acier ne contient qu’environ 0,05%Al ou moins.

Par contre, si l’on utilise un mélange d’environ 50% d’aluminium et 50% de calcium pour la désoxydation, l’oxyde mixte (alumine et calcia) a un point de fusion d’environ 1400 C seulement. L’entraînement de cet oxyde liquide ne donne pas lieu à des bifilms mais à des films liquides qui se sphérodifient rapidement en gouttelettes qui ont tendance à flotter. En arrivant à la surface de la pièce, les gouttelettes sont simplement assimilées à la couche d’oxyde liquide de surface et disparaissent. C’est le mécanisme par lequel les aciers finalement désoxydés avec Ca + Al atteignent des niveaux de propreté aussi élevés par rapport aux aciers désoxydés avec les Si, Mn et Al habituels.

L’action bénéfique de la désoxydation du Ca pour former un eutectique contenant du CaO à bas point de fusion se produit avec d’autres oxydes, probablement de façon plus importante avec le Cr2O3 comme dans presque tous les aciers inoxydables et les alliages de Ni à haute température.

L’addition de bore (B) aux aciers est une autre technique précieuse pour liquéfier le film d’oxyde de surface sur l’acier. Dans ce cas, un borate est formé avec un point de fusion étonnamment bas, proche de 1000 C selon sa composition, qui varie probablement avec l’acier. Seuls de très faibles niveaux, généralement de 0,002 à 0,005, sont nécessaires pour obtenir cette immense réduction du point de fusion de l’oxyde. Les aciers au bore sont réputés pour leur résistance et leur ténacité, qui doivent provenir de leur heureuse absence de bifilm.

L’acier au manganèse Hadfield (Fe-13Mn) est un autre acier extraordinaire, célèbre pour sa ténacité. Il est utilisé dans des applications aussi pénibles que les aiguillages et les passages à niveau. Les défaillances en service semblent pratiquement inconnues. L’oxyde de Mn MnO2 est liquide aux températures de coulée, empêchant ainsi la formation de fissures bifilm.

Les aciers plus récents TWIP (transformation induced plasticity) contenant plus de 50%Mn, malgré leur contenu de quelques pour cent d’Al, jouissent typiquement d’un allongement de 100%, probablement contribué au moins en partie par l’absence de bifilms. Les aciers légers Fe-30Mn-9Al continuent de présenter des allongements élevés, bien qu’à mesure que le Mn diminue et que l’Al augmente, les allongements diminuent ; peut-être en raison de l’introduction de bifilms d’alumine à un certain rapport critique ?

Nous devons être conscients que les traitements des ajouts mineurs aux aciers (Ca et B par exemple) sont vulnérables. En cas de conditions de coulée particulièrement turbulentes, l’addition peut être consommée, effectivement submergée par l’entraînement d’air, ce qui entraîne une surcharge de formation d’oxyde et une perte du bénéfice de liquéfaction à un certain stade de la coulée. Un lingot coulé par le haut (effrayez l’idée !) nécessiterait donc une addition de Ca ou de B plus élevée qu’un lingot coulé par contact ou qu’un produit coulé en continu. Les aciers à haute teneur en Mn ne devraient pas souffrir d’un tel inconvénient pendant la coulée, ayant effectivement une réserve infinie de Mn.

Les alliages à base de nickel, en particulier les soi-disant superalliages contenant de l’Al et du Cr (parmi de nombreux autres ajouts) sont compliqués du point de vue de leur oxyde pendant la fusion et la coulée. Les oxydes d’Al et de Cr sont généralement solides au point de fusion de la plupart des alliages à base de Ni, car ces derniers ont un point de fusion inférieur à celui de la plupart des aciers. Leur point de fusion plus bas signifie que le mélange Al + Ca est maintenant si marginal dans son effet qu’on ne peut pas être certain qu’il sera efficace. Ainsi, les alliages de nickel coulés à l’air souffrent souvent d’une mauvaise qualité, ce qui entraîne souvent des fissures lors du forgeage ultérieur. Même lorsqu’ils sont fondus et coulés sous vide, la fissuration au forgeage fournit de bonnes preuves pour confirmer la présence de bifilms ; les superalliages de Ni coulés sous vide bénéficient grandement des techniques de coulée sans turbulence.

Le lecteur doit prendre particulièrement note de la logique métallurgiquement impossible impliquée dans le phénomène des fissures présentes dans des alliages qui sont par ailleurs connus pour leur ductilité exceptionnelle. Les alliages à base de nickel sont ductiles et ne devraient donc pas se rompre par fissuration. En outre, bien entendu, pendant la solidification, les alliages ne sont soumis qu’à des contraintes relativement mineures, inférieures de plusieurs ordres de grandeur aux contraintes qui pourraient provoquer des fissures. Seule la présence de bifilms due à une pratique turbulente de la coulée peut expliquer le comportement de fissuration des alliages de Ni. Les figures 1.57 et 1.58 illustrent les fissures étonnantes qui résultent d’une mauvaise pratique de coulée turbulente, dans un alliage qui, autrement, ne devrait jamais se fissurer, et devrait obtenir une réduction de surface de près de 100 % dans un essai de traction.

Figure 1.57. Deux vues d’un Hastelloy mal coulé à l’air présentant des fissures profondes malgré sa grande ductilité clairement illustrée par le bord tourné de la matrice usinée. (L’Hastelloy correctement coulé est, bien sûr, exempt de fissures.)

Figure 1.58. Une pièce d’essai de traction ratée dans un alliage à base de Ni très ductile CY40, malheureusement pleine de fissures en raison d’une mauvaise technique de coulée.

Passant outre les aciers et les alliages de Ni, les fontes grises constituent un cas exceptionnellement intéressant et compliqué.

La fonte grise liquide est exempte de film d’oxyde pendant la fusion à des températures comprises entre 1550 et environ 1450 C (la température précise semble dépendre de la composition du fer). Ceci est dû à la réduction préférentielle des oxydes de Si et de Mn par le carbone à ces températures. La surface liquide a une clarté magique et parfaite de miroir qui n’est pas facile à décrire.

Au-dessous de cette température, un film gris et terne de silice solide (SiO2) se forme. Comme la température continue à baisser, pour finalement atteindre environ 1300 C, l’oxydation du Mn dans le fer conduit à un certain mélange de MnO2 dans l’oxyde de surface, ce qui provoque sa fusion. À une température quelque part inférieure à 1200 C, l’oxyde supplémentaire, FeO, réduit encore le point de fusion de l’oxyde. Ce silicate liquide complexe est l’une des raisons de l’excellente coulabilité de la fonte grise, et est probablement responsable du lustre vitreux résistant à la corrosion sur les pièces de fonte joliment coulées.

Ces réactions de surface, qui se produisent en raison de l’environnement riche en oxygène, contrastent avec l’intérieur du fer liquide. En dessous d’environ 1450 C, les bifilms de SiO2 entraînés dans la masse fondue sont stables et continuent à s’accumuler pendant la manipulation turbulente du métal liquide. Ainsi, lorsque la température eutectique est atteinte, ils sont disponibles comme substrats pour la précipitation du carbone afin de former des paillettes de graphite (Campbell 2009). Le SiO2 solide effectuant une action précieuse à l’intérieur du liquide en vrac contraste avec l’action précieuse du silicate liquide sur la surface extérieure du liquide, qui aide à la fluidité et réduit les défauts turbulents tels que les tours.

Il est immensément heureux que la fonte développe le bénéfice de ses silicates oxydes liquides sur sa surface juste avant d’être coulée sans perdre le bénéfice de ses bifilms de silice intérieurs solides. C’est manifestement la raison pour laquelle, en général, les moteurs à vapeur étaient tolérablement fiables et la révolution industrielle réussie.