Machinability aspects of heat-treated Al-(6-11)%Si cast alloys : role of intermetallics and free-cutting elements

Le besoin de combler le vide entre les procedes de coule et d'usinage donne de bonnes raisons d'examiner les nombreux aspects affectant l'usinabilite des alliages de fonderie Al-Si. Les alliages quasi-eutectiques sont, parmi les alliages Al-Si, les plus difficiles a usiner, puisque les particules de la phase Si sont environ 10 fois plus dures que la matrice d'aluminium, lesquelles expliquent pourquoi les outils de coupe s'usent prematurement. Toutes ces difficultes necessitent une meilleure comprehension des effets de la microstructure sur l'usinabilite de ces alliages. Ce travail a ete mene dans le but d'etudier un nouvel alliage experimental appartenant au groupe des alliages de fonderie Al-Si quasi-eutectique contenant environ 10,8%Si, a savoir l'alliage 396. Suite a ce qui a ete souleve, l'objectif principal de se travail est de rapporter les changements des criteres d'usinage resultant des effets des intermetalliques de fer, a savoir a-Fe, /?-Fe et « sludge »; de deux niveaux de Cu, a savoir 2,25 et 3,5%; et de deux niveaux de Mg, a savoir 0,3 et 0,6%. De plus, les effets des alliages sans Mg et modifies au Sr ont egalement ete etudies en plus des effets des elements de decolletage tels que Sn, Bi et Pb. Le traitement thermique T6 a ete selectionne pour etablir le niveau de durete des alliages etudies a l'interieur d'une plage de 110± 10 BHN, conforme a la plupart des niveaux de durete pour les applications commerciales des alliages d'aluminium. La mesure de la durete a ete faite directement sur les blocs d'usinage pour assurer que les echantillons possedent le niveau de durete requis. Tous ces alliages ont egalement ete testes mecaniquement de facon a obtenir une comprehension des effets des additifs sur les proprietes mecaniques de tractions pour les memes conditions appliquees aux blocs de test d'usinage. Les tests d'usinage ont ete faits sur une machine d'usinage horizontale haute vitesse Makino A88E sous des conditions fixes lesquelles incluent la vitesse de coupe, la vitesse d'avance, la longueur de la coupe, la geometrie de l'outil, le materiau de l'outil ainsi que le liquide de refroidissement. Les criteres d'usinage observes sont les forces et les moments total de coupe, la duree de vie de l'outil en termes de nombre de trous perces ou taraudes jusqu'au bris de l'outil, la morphologie des copeaux et l'arete rapporte (BUE). Les resultats demontrent que la presence de « sludge » sous la forme de points durs a un effet sur la force de coupe et la duree de vie de l'outil qui est reduite de moitie par rapport a l'alliage de base. La formation de la phase a-Fe dans l'alliage Ml a un effet benefique sur la duree de vie de l'outil, ainsi cet alliage est celui qui donne le plus grand nombre de trous perces comparativement aux alliages contenant le « sludge » ou /?-Fe; ces resultats pourraient etre expliques par le fait que la formation des intermetalliques a-Fe avec leur morphologie de scripts chinois arrondis et de leur presence a l'interieur des dendrites a-Al ameliore l'homogeneite de la matrice par un durcissement des dendrites. L'augmentation du fer de 0,5% a 1% dans l'alliage 396-T6 contenant 0,5% Mn produit une amelioration distincte de l'usinabilite en termes de force de coupe et de duree de vie de l'outil. Lors des tests de taraudage, il a ete trouve que les outils en acier rapide sont considerablement plus sensibles aux phases intermetalliques de fer que les outils en carbure11 utilises pour le percage L'ajout de Fe ou de Mn semblent avoir aucun effet sur l'arete rapporte (BUE) et sur la morphologie des copaux comparativement a l'alliage de base. L'augmentation des niveaux de Cu ou de Mg dans l'alliage 396-T6 ont tous des effets nuisibles sur la duree de vie du foret. Cette reduction de la duree de vie du foret pourrait etre attribuee a la formation d'une grande quantite de blocs de la phase A^Cu et a la formation de plaques epaisses de la phase Al-Si-Cu-Mg. L'alliage experimental sans Mg affiche les plus faibles force et moment de coupe en plus de produire le plus grand nombre de trous de tous les alliages etudies. Cette observation pourrait etre expliquee par une precipitation combinee des phases durcissantes AI2CU, Mg2Si, Al2CuMg et AlsSioQ^Mgg dans les alliages contenant du Mg lesquels conferent une plus grande resistance a l'alliage que la precipitation seule de la phase AI2CU de l'alliage sans Mg. Une comparaison entre l'alliage modifie et non-modifie (contenant les memes niveaux de Mg et de Cu) en terme de nombre de trous perces, revele que la morphologie des particules de Si a un effet sur la duree de vie de l'outil. L'ajout de petites, mais efficaces, quantites d'elements de decolletages aux alliages de fonderie Al-Si ameliore considerablement l'usinabilite de ces derniers. L'alliage contenant du Sn a un effet sur la duree de vie des forets en carbure et des tarauds en acier rapide. D'un autre cote, les alliages contenant du Bi menent a un grossissement des particules de Si eutectique resultant a une deterioration de la duree de vie de l'outil. L'ajout simultane d'une petite quantite de deux ou de plusieurs elements insolubles dans l'aluminium a un plus grand effet sur l'usinabilite en termes de reduction de la force et du moment de coupe que les ajouts individuels de chaque element. L'ajout de Pb, Bi et Sn semble n'avoir aucun effet sur la formation de l'arete rapporte (BUE) ou sur la morphologie des copeaux excepte que l'alliage contenant du Bi montre un legere tendance a reduire la formation de l'arete rapporte (BUE) et il produit egalement des copeaux en forme d'eventail plus petit que ceux observes pour les alliage sans Bi. Un examen visuel des copeaux revele que la forme d'eventail est de loin la forme predominante pendant le percage, de plus elle est consideree comme la forme ideale pour beaucoup d'application de percage. La fragmentation des copeaux des alliages contenant la phase AbCu etait superieure a celle des alliages contenant la phase Mg2Si. Ainsi, l'addition combinee de Cu et de Mg devrait raffiner davantage la taille des copeaux produits. L'examen des forets uses a montre que le maximum d'usure prend place au coin exterieur de l'arete du foret, alors qu'un minimum d'usure se produit a, ou pres de, la pointe du foret. Lorsque les coins du foret sont arrondis, le foret colle a la piece et se brise si le procede de coupe n'est pas arrete a temps. Pour les tests de taraudage, le principal mecanisme d'usure observe est l'adhesion, meme si une certaine abrasion pourrait se produire lors du taraudage des alliages contenant le « sludge » et le Bi. La rupture se produit frequemment dans la patrie chanfreinee du taraud puisqu'elle genere une majeure partie de la force resultante, en raison de la plus grande section de copeaux apparentee aux dents du chanfrein.