Fabrication de feuilles en alliage de magnésium léger

Fabrication de feuilles en alliage de magnésium léger

ÉTAT: Terminé

I. Aperçu

L'objectif global de ce projet de collaboration était de produire et de caractériser une feuille de magnésium de haute qualité pour les applications automobiles à l'aide du dispositif pilote de coulée à deux cylindres de CanmetMATÉRIAUX pour un laminage asymétrique ultérieur au Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Le succès de cette collaboration entre le Canada et les États-Unis est une étape pour permettre la production de feuilles de magnésium à faible coût aux fins d'utilisation pour l'allègement des automobiles, ce qui est bénéfique en matière d'économies de carburant.

II. Description du projet

Objectifs principaux

  • Examiner la possibilité de combiner les effets bénéfiques du laminage asymétrique avec ceux du dispositif de coulée à deux cylindres : On a démontré que, du fait de son fort taux de refroidissement, le dispositif de coulée à deux cylindres produit des matières ayant une structure des grains plus petite par rapport à une feuille classique. Park et al.(2009), Barnett et al. (2004) et Mehrotra P. (2006) ont montré une augmentation de la ductilité associée à la diminution de la taille des grains. Ce phénomène, associé à la modification de la texture de base à l'aide du laminage asymétrique, contribue à la formabilité des feuilles obtenues grâce au dispositif de coulée à deux cylindres.
  • Évaluer dans quelle mesure on peut modifier les ajouts de matières d'alliage pour obtenir une meilleure formabilité : Il a été démontré que le ZEK 100, un élément de terres rares contenant un alliage de magnésium montre une formabilité améliorée par rapport au AZ31B, un alliage sans terres rares. Cependant, avec l'augmentation du coût de l'ajout d'éléments de terres rares, il y a un intérêt à considérablement réduire ou éliminer la quantité d'ajouts de terres rares, tout en conservant leurs effets positifs. Ces travaux déterminent s'il sera potentiellement possible de trouver à l'avenir une voie pour y parvenir par l'intermédiaire de la modélisation informatique et de la préparation sélective d'un petit ensemble d'alliages.

Réalisations jusqu'à présent

Au cours des derniers mois de 2011-2012, cinq essais de coulée ont été effectués, avec la participation d'une équipe de sept techniciens et chercheurs. Les paramètres de la coulée ont varié d'un essai à l'autre afin de procéder à des ajustements concernant les conditions opérationnelles situées en dehors d'une fourchette acceptable : dans un cas, un refroidissement excessif a entraîné des charges élevées causant l'arrêt du moteur et, dans un autre cas, du métal en fusion a traversé les cylindres en raison d'un refroidissement insuffisant, ce qui a rendu la feuille inutilisable. On a découvert que la pointe en céramique de la cuve d'alimentation était susceptible de se briser, mettant fin aux essais. Un des essais a produit un matériau justifiant une analyse supplémentaire. Les données de procédure générées au cours des essais sont en cours d'analyse par CanmetMATÉRIAUX et l'Université de Waterloo.

Les activités menées de janvier à mars 2012 comprenaient l'exécution de cinq essais de coulée impliquant la configuration détaillée, la coulée et les activités de fermeture/nettoyage. Chaque essai comprend près de 2 jours de travail pour une équipe technique pouvant compter jusqu'à sept personnes. Les essais opérationnels en bande mince ont eu lieu les 9 février, 1er, 6, 9 et 14 mars.

L'essai du 9 février a résulté en une coulée en bande mince calibrée à 6 mm, mais la vitesse et la température du cylindre étaient excessives pour solidifier le magnésium en fusion, ce dernier endommageant par conséquent les circuits contrôlant le cisaillement du métal.

L'équipement a été réparé et l’appareil est redevenu utilisable le 1er mars. Au cours de cet essai, la vitesse et la température du cylindre ont été réduites et, très peu de temps après le début de la production d'une bande mince, la pointe en céramique de la cuve d'alimentation a été endommagée, la surface de la bande étant alors de mauvaise qualité. L'équipement a été réparé et l'essai du 6 mars a été réalisé dans les mêmes conditions opérationnelles, avec quelques ajustements mineurs du positionnement de la cuve d'alimentation. La pointe en céramique de la cuve d'alimentation s'est une nouvelle fois brisée et l'essai a pris fin. D'autres modifications de la pointe en céramique ont été effectuées, mais cette dernière n'a pas tenu le choc et l'essai a été abandonné.

L'essai final pour 2011-2012 du 14 mars a été effectué avec un calibre de 5 mm avec une température et une vitesse semblables. Les moteurs d'entraînement n'ont pas été en mesure de supporter la vitesse en raison d'exigences élevées de déformation du couple, ce qui a entraîné un refroidissement excessif, la reprise du cylindre, puis la fissuration de la pointe en céramique. Les moteurs d'entraînement du dispositif de coulée à deux cylindres sont actuellement remplacés afin d'accroître la capacité et les éléments de conception de la pointe en céramique sont évalués pour être modifiés pour les futurs essais au cours de l'exercice 2012-2013. La caractérisation du matériau reste limitée en attendant que d'autres essais soient effectués.

Au cours de la première année du projet au ORNL, l’évolution de la texture des matériaux soumis à un laminage de cisaillement à 200 oC à des proportions de 1:1,35 et de 1:3 o été caractérisée. Les résultats ont clairement montré que la texture a été modifiée par le laminage de cisaillement, l'orientation de l'intensité maximale du pôle basal s'éloignant de la normale de la feuille en suivant la direction du laminage. Il a également été démontré que, pour des bandes de 2 po de large de matériau en feuille, la texture peut encore être améliorée en combinant le laminage de cisaillement et le recuit. Des modèles informatiques ont été développés afin de comprendre de façon quantitative l'effet de la déformation (mélange de cisaillement et de compression) et du recuit après le laminage de cisaillement. Certaines pistes ont été découvertes, permettant de réduire favorablement l'intensité du plan basal, mais des travaux supplémentaires s'imposent afin de réitérer ces expériences sur une feuille plus large. En outre, des efforts sont nécessaires afin d'établir un lien entre la modélisation et les expériences et pour comprendre l'effet de la recristallisation dynamique. Cette année, le laminage de cisaillement sera effectué sur une feuille de 8 pouces de large en utilisant des paramètres de laminage de cisaillement et de recuit qui ont donné des résultats prometteurs en matière de modification de la texture de la feuille laminée étroite au cours de la première année. Les essais sur la formabilité seront effectués à l'aide d'essais en dôme afin d'évaluer l'effet du laminage de cisaillement sur la formabilité. Les modèles informatiques seront associés aux expériences par l'intermédiaire de la caractérisation de la contrainte appliquée sur la feuille laminée et cisaillée en fonction des conditions de traitement afin de mieux prédire l'évolution de la texture.

L'objectif du travail au cours de la première moitié de l'exercice 2012-2013 était centré sur la modification de l'équipement nécessaire pour stabiliser la pointe en céramique qui approvisionne les cylindres de coulée en magnésium en fusion en raison de la vulnérabilité de la pointe pendant le fonctionnement du dispositif de coulée à deux cylindres. L'analyse des problèmes et les travaux de conception ont été en grande partie achevés au cours de cette période.

La conception du dispositif de coulée à deux cylindres a été évaluée en raison des problèmes de stabilité de la pointe en céramique et le système d'alimentation a été remanié et fabriqué; à la fin du présent exercice, tout est prêt pour poursuivre les essais.

Les modifications de conception du système d'alimentation en métal en fusion étaient en cours pour le dispositif de coulée à deux cylindres. Les travaux expérimentaux comprenaient plusieurs essais de ce dispositif sur l'alliage de magnésium AZ31. Ces essais nécessitent la participation d’au plus sept personnes pendant trois jours pour la mise en place, le maniement et l'arrêt de la machine.

III. Durée du projet

Le programme général relatif au dispositif de coulée à deux cylindres permettant de développer les capacités du procédé a sérieusement commencé il y a environ deux ans, avec les premiers essais effectués en mars 2011. Ce programme se poursuivra au cours des prochaines années, car la recherche sur l'aluminium et le magnésium continue. Le projet financé par Environnement Canada dans le cadre du Dialogue sur l'énergie propre s'est terminé à la fin de mars 2013, même si les travaux relatifs à l'élaboration du processus se poursuivront par la suite. Si un financement est accordé pour de tels travaux en 2013-2014, d'autres alliages seront évalués dans le but d'améliorer et d'optimiser le comportement de coulée/formage des matériaux.

IV. Partenaires/participants

Gouvernment

  • CanmetMATÉRIAUX
  • Oak Ridge National Laboratory (États-Unis)
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