Brevet FR2741443A1 — publié le 19970523

METHODE D'ECHANTILLONNAGE DE L'ALUMINIUM ET SES ALLIAGES POUR ANALYSE DE COMPOSITION CHIMIQUE ET DISPOSITIF CORRESPONDANT DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne les méthodes d'échantillonnage d'alliages d'aluminium, par prélèvement de métal liquide et solidification dans un moule, en vue de déterminer la composition de ces alliages, notamment à l'aide de méthodes spectrométriques. ETAT DE LA TECHNIQUE I1 est connu que la technique d'échantillonnage de métal solidifié à partir de métal liquide, a une influence sur la précision et la justesse des résultats d'analyse, en particulier pour les méthodes d'analyses spectrométriques sur solides dont le volume analysé est faible en comparaison du volume de l'échantillon. Cet effet est particulièrement marqué pour les éléments sensibles au phénomène de ségrégation majeure conduisant à une hétérogénéité de composition importante de ces éléments dans le volume de l'échantillon solidifié. Pour résoudre cette difficulté, des normes d'échantillonnage ont été fixées, de manière à assurer la justesse et la reproductibilité des résultats d'analyse. Ainsi, la norme ASTM E716-85 définit trois types de moules (A, B et C) en vue de lwéchantillonnage, qui peuvent être définis par le mode de remplissage, leur forme et leur masselotte (forme et position) Moule ou échantillon: A B C Remplissage : louche louche sous vide Forme : anneau disque disque Masselotte position : latérale centrale centrale forme : plate conique cylindrique En pratique, le type B est le plus utilisé. Une autre norme ASTM (E101-91) précise la technique analytique à utiliser: la spectrométrie d'émission par étincelle (SEE en abrégé). Selon cette technique, à partir de l'échantillon obtenu selon une des trois méthodes d'échantillonnage citées précédemment, on détermine un plan de coupe (usiné perpendiculairement à l'axe du pion, à une cote donnée) qui est soumis à une décharge d'étincelles contrôlée.L'émission des raies caractéristiques des éléments présents est ensuite analysée dans un spectromètre et permet la détermination quantitative de la teneur des éléments identifiés dans le métal analysé après étalonnage préalable du dispositif, PROBLEMES POSES Les problèmes posés par l'état de la technique sont de plusieurs ordres D'une part, la justesse de l'analyse d'éléments sensibles au phénomène de ségrégation majeure dépend du positionnement du plan de coupe qui varie selon la nature et la concentration de l'élément analysé. D'autre part, la dispersion des résultats est liée à la robustesse (au sens statistique) du plan de coupe vis-à-vis du profil de ségrégation axiale de l'élément considéré (faible variabilité du résultat en fonction de l'ajustement du plan de coupe). Enfin, le ressèrement des fourchettes de composition des alliages conduisent à rechercher des techniques notablement plus précises que la technique de spectrométrie d'émission par étincelle pour le dosage des éléments majeurs en particulier. Une solution intéressante à ce problème est apportée par la spectrométrie de fluorescence X (SFX en abrégé). La zone analysée par cette technique est positionnée au centre de l'échantillon. Or cette zone centrale est, dans le cas des échantillons de type B, non représentative de la composition moyenne de l'échantillon d'une part, et affectée de porosités et de criques internes défavorables à la qualité de l'analyse d'autre part. La demanderesse a donc recherché une méthode et un dispositif (un moule) résolvant simultanément ces différents problèmes, de manière à ce qu'un même moule puisse être utilisé pour produire des pions d'analyses pour les deux techniques (SEE et SFX), en garantissant la justesse et la reproductibilité des dosages pour un plan de coupe unique de l'échantillon mais également une dispersion des résultats significativement réduite. DESCRIPTION DE L'INVENTION Selon l'invention, la méthode d'échantillonnage de l'aluminium et ses alliages pour des techniques d'analyses sur solides permettant la détermination de leur composition chimique comprend a) la préparation d'un pion de coulée par prélèvement de métal liquide solidifié dans un moule comprenant une cavité basse cylindrique ayant la forme dudit pion, et une cavité haute à partie basse rétreinte, typiquement tronconique, formant une alimentation de ladite cavité basse, b) le tronçonnage dudit pion de coulée pour former un plan de coupe, et l'usinage dudit plan de coupe, et est caractérisée en ce que, 1) ledit moule est formé par association d'au moins deux matériaux, la partie en contact avec la base de ladite cavité basse étant constituée d'un matériau dit "conducteur", le reste du moule, en contact avec ledit métal liquide, étant constitué d'un matériau dit "isolant" dont la conductivité thermique est inférieure à celle du matériau dit "conducteur", la conductivité thermique du matériau dit "conducteur" étant au moins égale à 5 fois celle du matériau dit "isolant", de manière à assurer une solidification unidirectionnelle depuis la base jusqu'au sommet du pion, 2) ledit plan de coupe est réalisé dans le plan axial dudit pion, de manière à obtenir une surface d'analyse axiale unique pour lesdites techniques d'analyse, 3) lesdites techniques d'analyse sont appliquées sur tout ou partie dudit plan axial, de manière à intégrer les gradients de concentration éventuels résultant de ladite solidification unidirectionnelle. C'est la combinaison de ces moyens essentiels qui permet de résoudre les problèmes posés par l'invention. DESCRIPTION DES FIGURES La figure la représente, en coupe axiale, le moule (1) selon l'invention, constitué d'une base (2) en matériau dit "conducteur", de deux demi-parois (3), en matériau dit "isolant" maintenues solidaires entre elles et avec ladite base grâce à une bague de serrage (4). Ledit moule peut être manipulé grâce à deux poignées assemblées grâce à un trou borgne (5) dans chacune des deux demi-parois. Ledit moule (1) délimite une cavité basse (11) à sa partie inférieure, une cavité haute (12) à sa partie supérieure à partie basse rétreinte formant une alimentation (13) de ladite cavité basse (11). La figure lb représente en coupe axiale la pièce brute (6) obtenue après coulée de métal liquide dans ledit moule (1), pièce constituée dudit pion (7) surmonté de sa masselotte (8). La figure lc représente en perspective le pion cylindrique (7) après séparation de la masselotte (8) et tronçonnage selon un plan axial, de manière à former ledit plan de coupe (70). La figure id est analogue à la figure la, mais avec une base (2) en matériau dit "conducteur" dont la section est sensiblement celle de la base de ladite cavité basse (11). La base du moule comprend donc une partie complémentaire (30) en matériau dit "isolant" qui peut être le même ou différent de celui des deux demi-parois (3) en matériau dit "isolant". Les figures 2 à 5 sont des diagrammes portant en ordonnées une composition (en pourcentage pondéral d'un élément à doser), et en abscisses une distance en mm. Sur toutes ces figures, la courbe en trait plein correspond à la teneur en Cu d'un alliage AlCu4,5%, et la courbe en pointillés correspond à la teneur en Mg d'un alliage 5182 (nomenclature selon l'Aluminum Association). Les figures 2 et 3 sont relatives respectivement au moule B selon l'état de la technique, et au moule selon l'invention, ces deux figures présentant les profils de composition axiale, c'est à dire la variation de la composition (en ordonnées) en fonction de la distance axiale (en abscisses) depuis la base (2) constituée par le matériau dit "conducteur". Les figures 4 et 5 sont relatives respectivement au moule B selon l'état de la technique, et au moule selon l'invention, ces deux figures présentant les profils de composition radiale, c'est à dire la variation de la composition (en ordonnées) en fonction de la distance (en abscisses) d'un bord à l'autre dudit pion, et à mi-hauteur dudit pion. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Selon l'invention, la cavité haute donnant la masselotte (8) est reliée à la cavité basse contenant le pion (7) par le rétreint (13). Ce dernier d'une part permet de définir géométriquement le pion (7) en le séparant de sa masselotte (8) mais également conditionne l'obtention de la solidification du pion dans une seule direction à partir de la base (2) en matériau conducteur, en réduisant significativement les échanges thermiques entre le pion et sa masselotte et donc les pertes thermiques par le haut. Le diamètre dudit rétreint est généralement compris entre 10 et 50% du diamètre de ladite cavité basse et de préférence entre 10 et 30%. De plus la masselotte et son rétreint servent à combler en métal liquide le retrait apparaissant dans le pion au cours de son refroidissement unidirectionnel vers le bas. Ladite cavité basse cylindrique (11) a un rapport hauteur/diamètre H/D de préférence compris entre 0,2 et 2. En effet, si ce rapport est inférieur à 0,2, ou supérieur à 2, on obtient un pion respectivement trop plat, ou trop effilé, ou trop volumineux, ou un pion dont les cotes sont peu adaptées aux techniques d'analyse. En particulier, on choisit la hauteur H en fonction des exigences desdites méthodes d'analyses d'éléments. En effet, chaque méthode d'analyse a ses propres exigences pratiques en ce qui concerne la géométrie propre du plan de coupe. Typiquement, avec les techniques analytiques du type SEE ou SFX, la hauteur H est de préférence comprise entre 20 et 60 mm. Il peut être avantageux selon l'invention que ladite alimentation soit positionnée de manière décentrée par rapport à l'axe de solidification dudit pion, pour favoriser encore le caractère unidirectionnel de la solidification du pion près de la masselotte. Selon l'invention, la conductivité thermique du matériau dit "conducteur" est supérieure à 10 W.m1.K1 Ledit matériau conducteur est de préférence de l'acier ou du cuivre ou alliage de cuivre. Ledit matériau isolant est de préférence constitué par un matériau réfractaire fibreux ou une céramique. I1 est avantageux de sculpter des stries en profondeur sur la face de la base en matériau conducteur en contact avec le métal coulé. Cette disposition permet d'augmenter la surface d'échange et d'éviter l'occlusion de gaz entre le métal et la base lors du remplissage de la cavité basse en améliorant le contact base-métal coulé. Ainsi cet accroissement de surface de mème que l'amélioration du contact base-métal coulé concourrent à renforcer le refroidissement unidirectionnel, donc à réduire la dispersion des résultats. Les stries ont généralement une profondeur d'au moins environ 0,5 mm. L'invention s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, auxdites méthodes d'analyses d'éléments comprenant la spectrométrie d'émission par étincelle et la spectrométrie de fluorescence X. Un autre objet de l'invention est constitué par le moule pour mettre en oeuvre la méthode selon l'invention. EXEMPLES DE REALISATION On a fabriqué un moule identique à celui représenté à la figure la, avec H = 25 mm, D = 38 mm et un rétreint de diamètre 7 mm. Le matériau dit "conducteur" (2) formant la base de ladite cavité basse (11) est de l'acier (nuance XC48). Le matériau dit "isolant" formant le reste du moule en contact avec le métal liquide est en céramique, en Stumatite (R) qui est un aluminosilicate. La conductivité thermique de l'acier est de: 40 W. m-l. K'1 (à température ambiante). Celle de la Stumatite (R) est de : 2 W.m'l.K'1 (à température ambiante). Le rapport des conductivités du matériau "conducteur" / matériau n isolant" est donc de : 20 Le moule (1) comprend deux demi-parois (3) qui coopèrent et enserrent la base (2), grâce à une bague de serrage (4). La bague(4) est enlevée pour ouvrir le moule et obtenir la pièce brute de coulée (6) de la figure lb. Le moule (1) selon l'invention a été comparé au moule B selon l'état de la technique cité (norme ASTM E716-85) dans le dosage de Cu de l'alliage AlCu4,5%, et le dosage de Mg de l'alliage d'aluminium 5182 (désignation normalisée de 1 'Aluminum Association). D'une part, on a déterminé par microanalyse X les profils de composition axiaux de Cu et Mg pour le moule de type B selon l'état de la technique (figure 2 - H = 12 mm), et pour le moule selon l'invention (figure 3 - H = 25 mm). Le plan de coupe est un plan axial (70) dans les deux cas, et la distance figurant en abscisses est comptée, depuis la base du pion, selon la direction axiale "H" (voir figure tic). La comparaison des figures 2 et 3 montre de façon très claire la grande différence de profil, en "U" dans le cas du moule selon l'état de la technique, sensiblement linéaire dans le cas du moule selon l'invention. D'autre part, on a déterminé par microanalyse X les profils de composition radiaux de Cu et Mg pour le moule B selon l'état de la technique (figure 4 - D s 52 mm), et pour le moule selon l'invention (figure 5 - D 5 35 mm), le plan de coupe étant le même plan axial, le pion étant analysé d'un bord à l'autre. On observe également une grande différence de profil, profil en "U" dans le cas du pion obtenu avec le moule B (figure 4), profil sensiblement plat avec le pion obtenu avec le moule selon l'invention. Par ailleurs, on a comparé les méthodes d'échantillonnage selon l'invention et celle selon la norme ASTM citée qui utilise le moule B, et cela pour deux techniques différentes d'analyse (SEE et SFX), en comparant les résultats à l'analyse chimique réalisée sur un prélèvement homogène, prise en référence. A) Comparaison des résultats de dosages (% pondéral) entre un pion et un plan de coupe axial selon l'invention (noté "invention") et le pion type B et plan de coupe radial selon la norme ASTM citée (noté "ASTM") Elément Technique de dosage SEE Voie chimique SFX Invention ASTM Invention ASTM Mg(%) 4,81 4,70 4,71+/-0,03 4,64 4,46 Cu(%) 4,69 4,53 4,73+/-0,03 4,82 4,64 Globalement, les résultats selon l'invention sont plus justes que ceux selon la norme ASTM quels que soient les éléments chimiques dosés et quelle que soit la technique analytique. En effet, les valeurs les plus éloignées de la "vraie" valeur (voie chimique) sont obtenues selon la norme ASTM (4,53 pour le dosage de Cu par SEE, 4,46 pour le dosage de Mg par SFX). B) Comparaison des dispersions des dosages (dispersion déterminée sur 15 essais dans le cas de l'invention, sur 10 essais dans le cas de la méthode ASTM): Elément Technique de dosage SEE SFX Invention ASTM Invention ASTM Mg 0,061 0,10 0,026 0,20 Cu 0,048 0,09 0,023 0,11 On observe donc que la dispersion est moindre avec l'invention qu'avec l'utilisation de la norme ASTM, tant en SEE qu'en SFX - et surtout en SFX. Ces résultats, en particulier, la faible dispersion des valeurs numériques, résultent vraisemblablement de la linéarisation des profils de composition (figures 3 et 5) avec le moule selon l'invention : le caractère monotone et moins accentué du profil de composition résulte lui-même de la structure du moule selon l'invention, de l'absence de ségrégation radiale, et de l'intégration du plan de coupe axial. Autre exemple On a aussi fabriqué un moule selon la figure ld. Dans ce moule, la pièce (2) en matériau dit "conducteur" de l'exemple précédent et de la figure la a été remplacée par une pièce composite comprenant une partie centrale (2), au droit de la cavité (11) en matériau dit "conducteur" de l'exemple précédent (acier), et une partie annulaire (30) en matériau dit "isolant" de l'exemple précédent (Stumatite (R)). On a obtenu sensiblement les memes résultats qu'avec le moule selon l'exemple précédent. AVANTAGES DE L'INVENTION La méthode d'échantillonnage selon l'invention et le moule correspondant constituent un progrès très significatif, par rapport à l'état de la technique, dans le recherche d'une méthode unique adaptée à l'analyse de différents éléments (ici les résultat relatifs à Cu et Mg ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs), avec différentes techniques (SEE et SFX ne sont pas non plus limitatifs). En particulier, la méthode selon l'invention permet une diminution sensible de la dispersion des résultats d'analyse, ce qui est essentiel pour assurer une qualité constante des lots de métal en Al et alliages d'Al fabriqués ou commercialisés. Comme cela a déjà été indiqué, de nombreuses propriétés des alliages d'Al sont liées à la présence d'éléments chimiques à une teneur précise. Dans ce cas en particulier, l'invention permet seule d'assurer une qualité constante. Par ailleurs, la méthode selon l'invention reste, par son coût et son mode d'utilisation, analogue à la pratique de l'état de la technique. Elle n'implique donc ni surcoût ni apprentissage spécifique pour l'homme du métier. Fig.la Liste des repères Moule t l Cavité basse du moule 11 Cavité haute du moule 12 Alimentation 13 Base du moule 2 Demi-parois du moule 3 Bague de serrage 4 Trou borgne pour poignées 5 Pièce brute moulée 6 Pion 7 Plan de coupe du pion 70 Masselotte 8 REVENDICATIONS 1 - Méthode d'échantillonnage de l'aluminium et ses alliages pour des techniques d'analyses sur solides permettant la détermination de leur composition chimique comprenant a) la préparation d'un pion de coulée (7) par prélèvement de métal liquide solidifié dans un moule (1) comprenant une cavité basse cylindrique (11) ayant la forme dudit pion (7), une cavité haute (12) à partie basse rétreinte, typiquement tronconique, formant une alimentation (13) de ladite cavité basse (11), b) le tronçonnage dudit pion de coulée (7) pour former un plan de coupe (70), et l'usinage dudit plan de coupe (70), méthode caractérisée en ce que, 1) ledit moule (1) est formé par association d'au moins deux matériaux, la partie (2) en contact avec la base de ladite cavité basse étant constituée d'un matériau dit "conducteur", le reste (3) du moule, en contact avec ledit métal liquide, étant constitué d'un matériau dit "isolant" dont la conductivité thermique est inférieure à celle du matériau dit "conducteur", la conductivité thermique du matériau dit "conducteur" étant au moins égale à 5 fois celle du matériau dit "isolant", de manière à assurer une solidification unidirectionnelle depuis la base jusqu'au sommet du pion, 2) ledit plan de coupe (70) est réalisé dans le plan axial dudit pion (7), de manière à obtenir une surface d'analyse axiale unique pour lesdites techniques d'analyse. 3) lesdites techniques d'analyse sont appliquées sur tout ou partie dudit plan axial, de manière à intégrer les gradients de concentration éventuels résultant de la solidification unidirectionnelle. 2 - Méthode selon la revendication 1 dans laquelle ladite cavité cylindrique (11) a un rapport hauteur/diamètre H/D de préférence compris entre 0,2 et 2. 3 - Méthode selon la revendication 2 dans laquelle la hauteur H est choisie en fonction des exigences desdites méthodes d'analyses d'éléments. 4 - Méthode selon la revendication 3 dans laquelle la hauteur H est de préférence comprise entre 20 et 60 mm. 5 - Méthode selon une quelconque des revendications 1 à 4 dans laquelle ladite alimentation (13) est positionnée de manière décentrée par rapport à l'axe de solidification dudit pion. 6 - Méthode selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans laquelle la conductivité thermique du matériau dit "conducteur" est supérieure à 10 W.m'l.K-1 (à température ambiante). 7 - Méthode selon une quelconque des revendications 1 à 6 dans laquelle on dispose des stries sur la face de la base en contact avec le métal. 8 - Méthode selon une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle ledit matériau conducteur est de préférence de l'acier ou du cuivre ou alliage de cuivre. 9 - Méthode selon une quelconque des revendications 1 à 8 dans laquelle ledit matériau isolant est de préférence constitué par un matériau réfractaire fibreux ou une céramique. 10 - Méthode selon une quelconque des revendications 1 à 9 dans laquelle lesdites méthodes d'analyses d'éléments comprennent la spectrométrie d'émission par étincelle et la spectrométrie de fluorescence X. 11 - Dispositif constitué par le moule pour mettre en oeuvre la méthode selon une quelconque des revendications 1 à 10.