macroségrégation

La macroségrégation est la séparation visible à grande échelle des éléments d'alliage au sein d'une pièce moulée solidifiée. Contrairement à la microségrégation, qui se produit à l'échelle du grain et des dendrites, la macroségrégation opère sur des sections entières ou des lingots, produisant des régions de composition chimique significativement différentes. Elle se produit lorsque la solidification est inégale, permettant au métal liquide de s'écouler et de redistribuer les éléments avant que la pièce ne se fige complètement.

Le mécanisme dépend des différences de densité entre les phases solide et liquide. Au fur et à mesure que les dendrites se forment pendant le refroidissement, elles excluent les atomes de soluté. Ce liquide enrichi devient soit plus léger, soit plus lourd que le métal environnant, selon le système d'alliage. Dans les lingots d'acier, la phase liquide riche en fer s'écoule vers les régions plus froides, entraînant avec elle des éléments dissous comme le carbone et le soufre. Les grandes pièces moulées refroidissent lentement de l'extérieur vers l'intérieur, créant des gradients thermiques qui entraînent cette redistribution convective sur des heures ou des jours.

Motifs et défauts courants

Trois principaux motifs émergent: la ségrégation normale, où le soluté se concentre dans la région centrale qui se fige en dernier; la ségrégation inverse, où les éléments lourds flottent vers l'intérieur tôt; et la ségrégation en canaux, où le liquide enrichi suit les joints de grains colonnaires jusqu'au cœur du lingot. Une macroségrégation sévère produit des zones dures et cassantes à haute teneur en carbone ou en chrome, à côté de régions molles et faibles de composition appauvrie. Ces fissures de composition internes, parfois appelées fissures en chevrons au centre du lingot, peuvent se propager lors du corroyage ultérieur.

Le problème s'intensifie avec la taille de la pièce moulée. Un petit lingot de laboratoire pesant quelques kilogrammes montre une macroségrégation minimale; un lingot industriel de plusieurs tonnes montre un zonage sévère. Les sections épaisses refroidissent suffisamment lentement pour que le flux de liquide entraîné par la gravité ségrège les éléments sur des distances de plusieurs centimètres. Les alliages avec de grandes plages de solidification, tels que les superalliages à base de nickel ou les aciers à haute teneur en carbone, souffrent le plus sévèrement car le liquide reste pâteux et mobile sur un intervalle de température plus large.

Les fonderies et les fabricants de lingots combattent la macroségrégation par un refroidissement contrôlé, une agitation électromagnétique pendant la coulée et des pratiques de coulée en gueulard qui maintiennent la surface du lingot chaude et lente. La fusion par induction sous vide suivie d'une solidification contrôlée la réduit mais l'élimine rarement entièrement. Un traitement thermique d'homogénéisation ultérieur peut réduire les gradients de composition si le temps et la température sont adéquats, bien que cela soit lent et énergivore pour les grands lingots. Comprendre où la macroségrégation se concentre est essentiel pour positionner les lingots dans le laminoir: le matériau du cœur ségrégé est généralement coupé avant le corroyage pour répondre aux spécifications.