Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section des matériaux, Institut des matériaux IMX (Laboratoire de simulation des matériaux LSMX)

Etude de l'effet du brassage électromagnétique sur les microstructures d'alliages cuivreux

Campanella, Thomas ; Rappaz, Michel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2818.

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    Summary
    In order to eliminate internal and surface defects, which appear in the ingots during continuous casting of metallic alloys, homogeneous and fine structures are often required. Therefore, when the adjunction of inoculant substances is not possible, the electromagnetic stirring (EMS) process is used during solidification. It consists to create convective mouvements in the liquid part of the casting, by the action of an electromagnetic field. A fine equiaxed grain structure can then be observed. The main goal of this research is to study the effect of the EMS process on grain structures for two industrial copper-base alloys : C97 (Cu-1%Ni-1%Pb-0.2%P) and BZ4 (Cu-4%Zn- 4%Sn-4%Pb). In particular, it included the determination of the optimal experimental parameters to obtain a grain refinement, the characterization of their effect on the solidification and the understanding of the physical mechanisms driving grain refinement. For that purpose, a Bridgman type furnace was modified in order to add an electromagnetic stirring device. Indeed, as the industrial continuous casting process is rigid and complex, the investigations were easier to carry out on the Bridgman installation, enabling us to define the influence of each experimental parameter : power of the induction, casting speed, coil position, temperature of the liquid and composition of the alloy. This experimental study was completed by the numerical simulation of the experimental conditions. The analysis of the structures, refined or not, showed that the dominant factors concerning the capacity of EMS to refine the structure, are the position of the inductor with respect to the liquidus, and the permeability of the mushy zone of the alloy. The more permeable the alloy is near the liquidus the more effective is the grain refinement. Concerning the position of the inductor, in-situ temperature measurements clearly revealed the local reheating of the liquid induced by convection. To correctly refine the low concentration alloy (C97), this local reheating must be brought on the position close to the dendrite position. During EMS-induced grain refinement, fragmentation of the dendrite arms by remelting and their survival in the melt are prevalent. Remelting can occur only if the "hot" liquid penetrates the mushy zone. Thus, the concept of permeability according to the model of Karman-Cozeny was used in simulation in order to characterize the penetration of the liquid in the mushy zone. From these results, a criterion of remelting, based on Flemings model of macrosegregation, was adapted and applied to our case. This criterion shows that remelting takes place if the velocity of the interdendritic liquid is lager than the speed of the isotherms. The velocity of the interdendritic liquid was calculated by numerical simulation for both alloys, under various experimental conditions. These results confirmed the importance to bring the inductor closer to the position of the liquidus to remelt dendrites, in particular in the case of the C97 alloy, which proves to be much more difficult to refine than the BZ4 alloy. Lastly, survival of the fragments was also studied. It depends on the casting conditions (casting speed and thermal gradient) and on the composition of the alloy. From the differences in composition of both alloys, it could be shown that the survival of dendrites fragments is improved during the solidification of the BZ4 alloy, compared with the C97 alloy.
    Résumé
    Dans le but d’éliminer les défauts internes et surfaciques qui apparaissent dans les lingots lors de la coulée continue d’alliages métalliques, une microstructure fine et homogène est très souvent recherchée. C’est pourquoi, lorsque l’ajout de particules inoculantes est impossible, la technique de brassage électromagnétique (Electromagnetic Stirring, EMS) est employée au cours de la solidification. Cette technique consiste à créer des mouvements de convection dans le liquide par l’action d’un champ électromagnétique. Cette convection importante du liquide provoque une croissance équiaxe, au dépend de la croissance dendritique colonnaire (qui se forme sans EMS). Une structure homogène à grains fins est alors observée. L’objectif de ce travail de recherche est d’étudier l’effet du brassage électromagnétique sur les structures de grains obtenues pour deux alliages industriels à base de cuivre : C97 (Cu- 1%Ni-1%Pb-0.2%P) et BZ4 (Cu-4%Zn-4%Sn-4%Pb). En l’occurrence, il s’agit de déterminer les paramètres expérimentaux pour que l’affinage des grains soit optimal, de caractériser leurs effets sur la solidification et de comprendre les mécanismes physiques responsables de l’affinage. Pour cela, un procédé de solidification dirigée de type Bridgman, équipé d’un dispositif de brassage électromagnétique a été conçu au laboratoire. En effet, le procédé de coulée continue industriel étant trop rigide et trop complexe à étudier, les investigations ont été principalement menées sur cette installation de laboratoire, nous permettant de définir l’influence de chacun des paramètres expérimentaux : puissance d’induction, vitesse de tirage, position de l’inducteur, température du liquide et composition de l’alliage. Cette étude expérimentale a été complétée par la simulation numérique des conditions de coulée. L'analyse des structures affinées ou non a montré que les facteurs dominants concernant la capacité du brassage à affiner la structure sont la position de l'inducteur par rapport au liquidus et la perméabilité de la zone pâteuse de l'alliage. Plus l'alliage est perméable au voisinage du liquidus, plus l'affinage est effectif. En ce qui concerne la position de l'inducteur, les mesures de température in-situ ont montré clairement le réchauffement local du liquide induit par les mouvements de convection. Pour affiner correctement l'alliage le moins allié (C97), ce réchauffement local doit être positionné sur le front de croissance des dendrites. Dans le processus d’affinage des structures de grains par EMS, la fragmentation par refusion des bras de dendrites et la survie de ces fragments jouent un rôle essentiel. La refusion ne peut avoir lieu qu'à la condition que le liquide ''chaud'' puisse pénétrer la zone pâteuse. La notion de perméabilité selon le modèle de Karman-Cozeny a donc été utilisée en simulation pour modéliser la pénétration du liquide dans la zone pâteuse. A partir de ces résultats, un critère de refusion, basé sur le modèle de macroségrégation de Flemings, a été développé et appliqué à notre cas. Ce critère montre que la refusion a lieu dans le cas où la vitesse du liquide interdendritique est plus élevée que celle d’avance des isothermes. Lors de notre étude, la vitesse du liquide interdendritique a été calculée par simulation numérique pour les deux alliages, dans différentes conditions expérimentales. Ces résultats ont confirmé l’importance de rapprocher l’inducteur de la position du liquidus pour refondre les dendrites, notamment dans le cas de l’alliage C97, qui s’avère être beaucoup plus difficile à affiner que l’alliage BZ4. Enfin, la survie des fragments a également été étudiée. Cette dernière dépend des conditions de coulée (vitesse de tirage et gradient thermique) et de la composition de l’alliage. De par les différences de composition des deux alliages, il a pu être montré que la survie des fragments est plus importante lors de la solidification de l’alliage BZ4, par rapport à l’alliage C97.