Flowability tests in foundry : thermal and hydrodynamic aspects, and solidification structures
Essais de coulabilité en fonderie : Aspects thermiques, hydrodynamiques et structures de solidification
Résumé
The flowability test is commonly practiced for casting thin pieces. The liquid metal is injected into a tubular mold and the length traveled by the metal before solidification stops measure the flowability.
From the theoretical point of view, solidification of thin pieces involves coupled phenomena as hydrodynamic during the filling lasts a few tenths of a second, the heat transfer, especially the metal mold exchanges and solidification mechanisms. The flow is modified by solidification. Conversely, the grain structure is sensitive to flow. The field of temperature is highly dependent on the flow, mainly in the vicinity of gas-liquid front.
We proposed an analytical formulation of the current lines.
Then we realized several series of tests on cast iron and alloy Al-2% Cu. These tests showed that the metal-mold heat transfer can be represented by a transfer coefficient, which depends on the injection velocity. The tests on cast iron allowed to follow continuously the progress of the liquid while recording the temperature of the liquid front. Testing the aluminum alloy include measures on the columnar-equiaxed transition and on the grain size.
We have established a model of nucleation and growth of equiaxed that calculates the size of grains from the cooling conditions.
Various measures, processed by simplified models, allow us to propose a “gel stopping mechanism in crust” : liquid flow, formation of columnar crust, its closure equiaxed crystallization band, crystallization stopping the columnar growth.
These results and the corresponding models will be used to validate a numerical code under development in the framework of the European program "Convective effects in solidification”.
L’essai de coulabilité est couramment pratiqué en fonderie des pièces minces. Le métal liquide est injecté dans un moule en forme de tube et la longueur parcourue par le métal lorsque la solidification le bloque mesure la coulabilité.
Du point de vue théorique, la solidification de pièces minces fait intervenir de façon couplée l'hydrodynamique de remplissage qui dure quelques dixièmes de seconde, la thermique, en particulier les échanges métal-moule, et les mécanismes de solidification. L'écoulement est modifié par la solidification. Réciproquement, la structure de grains est sensible à l'écoulement.
Le champ de température dépend fortement de l’écoulement, principalement au voisinage du front liquide-gaz. Nous avons proposé une formulation analytique des lignes de courant.
Ensuite, nous avons réalisé plusieurs séries d'essais sur la fonte et sur l'alliage Al-2% Cu. Ces essais ont montré que les échanges métal-moule peuvent être représentés par un coefficient d’échange, qui dépend de la vitesse d'injection. Les essais sur la fonte ont permis de suivre en direct la progression du liquide tout en enregistrant la température du front liquide. Les essais sur l'alliage d’aluminium comportent des mesures sur la transition colonnaire-équiaxe et sur la taille des grains.
Nous avons établi un modèle de nucléation et croissance des grains équiaxes qui permet de calculer la taille des grains à partir des conditions de refroidissement.
Les différentes mesures, traitées par les modèles simplifiés, ont permis de proposer un mécanisme du blocage par gel en croûte : écoulement tout liquide, formation de la croûte colonnaire, sa fermeture, cristallisation équiaxe en bande, cristallisation qui bloque la croissance colonnaire.
Ces résultats, et les modèles correspondants serviront de données pour valider un code numérique qui est développé dans le cadre du programme européen « Convective effects in solidification ».