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Centrifugal casting of ZA8 zinc alloy and composite A356/SiC : study and modeling of phases' and particles' segragation

Balout, Bahaa (2010). Centrifugal casting of ZA8 zinc alloy and composite A356/SiC : study and modeling of phases' and particles' segragation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Centrifugation is a casting technology that allows the production of cylindrical and graduated parts with different mechanical properties through the section. The need for materials with good quality and specific mechanical properties has been driven this technology in order to produce different types of materials such as zinc alloys and graduated metal matrix composites reinforced by hard and wear resistant particles.

The goal of this research project is to study and model the eutectic macrosegregation, the solidification speed, and the speeds of solidification fronts during centrifugal casting of ZA8 zinc-aluminum alloy in order to improve the part quality and increase its strength and field reliability. Moreover, the segregation of the particles during centrifugal casting of an aluminum matrix composite reinforced by silicon carbide particles (A356/SiC) is also studied to improve and control the graduation of the parts. The cooling rate, the speed, acceleration/deceleration, displacement, and segregation of the particles across the section will be modeled by discretization of Stokes’ law in time in order to take into consideration the change in the centrifugal radius and melt viscosity during cooling process. This study will allow the control of the graduation degree of particles across the section in order to improve the properties and wear resistance of the composite. This composite can be used in systems where friction is critical and load is high (reinforcements of parts for the cylinders of pneumatic systems).

The results show that the maximum macrosegregation zone of the eutectic across the casting section corresponds to the last point of solidification. The eutectic macrosegregation produced during centrifugal casting of thin walled part is a normal segregation which varies depending on the solidification speed and the ratio between the speeds of solidification fronts. On the other hand, it was found that the position and volume fraction of the particles on the outer/inner casting surface and across the section varies whether the viscosity of the liquid metal used and the centrifugal radius are considered constant or variable during the modeling. Modeling the particles’ segregation while discretizing, in time, the particles’ velocities gives more consistent results compared to those obtained experimentally.

Titre traduit

Mise en forme par centrifugation de l'alliage du zing ZA8 et du composite A356/SiC: étude et modélisation de la ségrégation des phases et des particules

Résumé traduit

La centrifugation est une technologie de mise en forme qui permet de fabriquer des pièces cylindriques et graduées, c’est-à-dire ne possédant pas les mêmes propriétés mécaniques à travers la section. Le besoin de matériaux de bonne qualité avec des propriétés mécaniques spécifiques nous incite à utiliser cette technologie afin de fabriquer plusieurs types des matériaux comme les alliages du zinc et les composites à matrices métalliques gradués renforcés par des particules dures et résistantes à l’usure.

Le but de cette étude est de modéliser la macroségrégation de l’eutectique et les vitesses des fronts de solidification, pendant le moulage par centrifugation de l’alliage du zinc-aluminium ZA8. Cette étude permettra d’améliorer la qualité de la pièce et d’augmenter sa résistance et fiabilité en service. D’ailleur, la ségrégation des particules à travers la matrice pendant le moulage par centrifugation d’un composite à matrice d’aluminium renfrocé par des particules de carbure de silicium (A356/SiC) sera étudiée. Le taux de refroidissement, le déplacement et la ségrégation des particules à travers la section seront modélisés en discrétizant la loi de Stokes dans le temps afin de tenir compte de la variation du rayon de centrifugation et de la viscosité pendant le processus de refroidissement. Cette étude permettra de contrôler le degré de graduation des particules à travers la section afin d’améliorer les propriétés et la résistance à l’usure du composite. Ce composite peut être utilisé pour des applications où le frottement est élevé et la charge est critique (renforts de parties du moteur à explosion, des cylindres de systèmes pneumatiques).

Les résultats obtenus montrent que la zone de la macroségrégation maximale de l’eutectique à travers la section correspond à la zone du dernier point de solidification. La macroségrégataion de l’eutectique produite pendant le moulage par centrifugation d’une pièce à paroi mince est une ségrégation normale. Elle varie en fonction de la vitesse de solidification et du rapport entre les vitesses des fronts de solidifictaion. D’autre part, il a été constaté que la position et la fraction volumique des particules sur la surface interne/externe et à travers la section du composite changent selon que la viscosité du métal liquide et le rayon de centrifugation utilisés sont constants ou variables. La modélisation de la ségrégation des particules en discrétisant la vitesse des particules dans le temps, conduit à des résultats plus proches de ceux obtenus expérimentalement.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr : f. [133]-137.
Mots-clés libres: Coulée par centrifugation. Zinc Alliages. Transitions de phase. composite, macroségrégation, moulage, solidification
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Songmene, Victor
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 19 août 2010 20:30
Dernière modification: 18 janv. 2017 01:22
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/255

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