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Procédé jour la fabrication de pièces en métal léger et pièces fabriquées d'après ce procède
On sait que l'aluminium et ses alliages ent des emplois très nombreux, surtout grâce à leur légereté. L'alu- minium pur, toutefois, ne présente qu'une résistance méca- nique faible. A l'état reouit, la résistance à la traction est de 7 à 9 kg/mm2 et la dureté Brinell de 20 à 25 kg/mm2.
Pour déformation plastique à froid (éorouissage), on peut augmenter la résistance à la traction jusqu'à 20 kg/mm2 @
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et la dureté Brinell jusqu'à 40 kg par mm2. Par addition d'autres éléments, tels que le ou ivre et le magnésium, on peut augmenter ces valeurs. Les alliages obtenus sont en partie durcissables, c'est-à-dire qu'on peut augmenter leur résistance à la traction et leur dureté Brinell par recuit de solubilité, trempe et vieillissement soit à la température ordinaire, soit à une température plus élevée - On réussit de cette façon à obtenir des résistances à la traotion jusqu'à
50 et des ruretés Brinell jusqu'à. 150 kg/mm2.
Dans beaucoup de cas où les pièces métalliques sont soumises à des tempéra- %ures (le service élevées, par exemple de plus que 2000 C., on ne peut pas baser ses calculs sur ces hautes valeurs des propriétés mécaniques des pièces en métal léger, car le métal durci par déformation plastique à froid aussi bien que le mé- tal durci par traitement thermique subissent un recuit adou- cissant, ce qui a pour conséquence que les valeurs des ppoprlé- tés mécaniques tombent à cellesdu métal recuit. Par exemple, la résistance à la traction d'alliages d'aluminium du type Al-Cu-Mg durcis par traitement thermique tombe de 42 à 58 kg/ à 16-22 kg/mm2 mm2 /.
Il a paru exclu jusqu'à présent de fabriquer des alliagess d'aluminium légers ne perdant pas leurs hautespropriétés mé- oaniques sous l'effet d'un recuit à des températures de 200 à 5000 C. par exemple.
La présente invention se rapporte à un procède de fabrication de pièces en métal léger présentant un poids spé- oifique de 5 et moins, de préférence au maximum de 3, une ré- sistance à la traction d'au moins 30 kg/mm2 et une dureté Bri- nell d'au moins 80 kg/mm2 même à. l'état recuit. Ces pièces métalliques sont obtenues par compression et frittage de pou- dre d'aluminium pur ou d'aluminium additionné d'éléments
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d'alliage, cette poudre présentant une telle finesse qu''au moins 50 % des particules ont au moins une dimension infé- rieure à 2 millièmes de mm.
Comme la poudre d'aluminium est généralement en paillettes, c'est l'épaisseur de celles-ci qui est inférieure à 2 millièmes de mm. L'invention se rapporte aussi aux pièces en métal léger fabriquées selon le nouveau procédé.
On savait déjà produire des pièces métalliques massi- ves par compression et frittage de poudre métalliques, Toute- fois, on ne pouvait pas s'attendre à ce qu'on puisse obtenir en partant de la poudre d'aluminium pur (qui ne peut obtenir par écrouissage qu'une résistance à la traction d'environ 20 kg/ mm2 au plus, cette valeur tombant au-dessous de 10 kg/mm2 par re- cuit adoucissant) des pièces métalliques massives présentant une résistance à la traction de 30 kg/mm2 par exemple et qui conservent pratiquement cette résistance même après un recuit à une température au-dessous du point de fusion, par exemple à 600 C. On peut partir de poudre d'aluminium produite par n'im- porte quel procédé, par exemple par pilonnage ou dans un moulin à billes.
Le fait surprenant que la poudre d'aluminium pur peut fournir des pièces métalliques présentant une haute résistance à la traotion et une grande dureté est peut être redevable à l'influence, d'une part, de la grosseur des particules, d'autre part, de la pellicule d'oxyde recouvrant ces particules,
La poudre d'aluminium pratiquement exempte de graisse qu'on trouve dans le commerce et qui a la forme de petites paillettes est généralement suffisamment oxydée et suffisamment fine pour assurer la réussite du présent procédé.
Des essais ont montré que la poudre d'aluminium pratiquement exempte d'oxyde ou n'en oontenant qu'un faible pourcentage n'est pas
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appropriée, car on n'obtient pas les valeurs indiquées pour la résistance à. la traction et pour le, dureté Brinell. Il est évident que la résistance à la traction et la dureté Brinell n'augmentent pas brasquement quand on augmente la tenenr en oxyde. La protection revendiquée s'étend toutefois sur toutes les pièces de métal léger fabriquées d'âpres le procédé selon l'invention dès qu'elles atteignent les valeurs indiquées pour la résistance à, la traction, la dureté Brinell et le poids spécifique.
Comme la. grandeur des particules joue aussi un rôle, la quantité minimum d'oxyde nécessaire ne peut pas être indiquée, Si l'on veut savoir si une poudre est appropriée, il faut faire un essai.
L'aluminium utilisé peut aussi contenir des éléments étrangers, par exemple du cuivre, du magnésium et du silicium.
En d'autres termes, on peut aussi utiliser de la poudre d'al- liages d'aluminium. Les éléments étrangers peuvent être pré- sents sous forme élémentaire ou sous forme de combinaisons entre eux; ils peuvent aussi être ajoutés à la poudre d'alu- minium sous forme d'alliages-mères pulvérisés à, base d'alu- minium. Ces éléments s'allient aux particules de poudre d'alu- minium par diffusion pendant le frittage.Il est naturellement aussi possible d'ajouter à, la poudre d'aluminium d'autres substances, pour autant que le poids spécifique de 5, préfé- rablement de 3, n'est pa.s dépassé et qu'on atteint une résis- tance à la traction de 30 kg/mm2 au moins et une dureté Brinell de 80 Kg/mm2 au moins.
Le traitement peut être exécuté de différentes manières, par exemple par: a) - 1 - Compression à froid
2 - Frittage
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3 - Compression subséquente à chaud. b) - 1 - Compression à froid.
2 - Compression subséquente à chaud et frittage, @ c)- Compression à chaud et frittage.
On peut, naturellement, procéder à des opérations supplémentaires entre les opérations mentionnées ci-dessus,
Lors de la compression à froid, on applique avan- tageusement une pression de 2 t/om2. Lors de la compression à chaud, on va si possible jusqu'à la pression que les outils de la presse peuvent encore supporter, Lors de la compression à chaud et du frittage, la température doit être assez élevée pour que les propriétés désirées des pièces de métal léger soient obtenues dans un temps 'économiquement supportable.
D'autre part, la température ne doit pas être tellement élevée qu'on obtienne finalement une pièce de fonderie au lieu d'une pièce frittée; en effet, les pièces de fonderie ne peuvent pas atteindre les propriétés méoaniques indiquées. La tempéra- ture devrait être d'au moins 4000. Une température très favo- rable est 550 - 60000,
La durée de la compression et du frittage peut varier dans de grandes limites selon la'température et selon lespropriétés qu'on veut obtenir. Plus la température est élevée; plus la durée peut être courte. La température a aussi une influence sur la compression. En effet, plus la tempéra- ture est élevée, plus la compression est aisée.
La compression à chaud peut être accompagnée d'un façonnage approprié, de sorte qu'on peut obtenir des pièces qui n'ont besoin d'aucun usinage subséquent ou seulement d'un usinage faible.
Exemple, 1.
De la poudre d'aluminium pur, dont toutes les par- ticules avaient au moins une dimension inférieure à 1 millième de mm, a subi une compression préalable à froid et a été
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ensuite transformée en pièces métalliques massives par compres- sion à 600 C sous une pression de 6 t/cm2, maintenue pendant 1 minute.Les pièces obtenues présentaient les propriétés mécanique suivantes:
Poids spécifique ............ 2,2
Limite d'élasticité ......... 28 - 30 kg/mm2 Résistance à la, traction..,.. 32 - 36 kg/mm2
Allongement (@10) ........... 2 - 5 %
Dureté Brinell .............. 85 - 100 kgjmm2.
Exemple 2,,
Quelques pièces obtenues comme décrit dans l'exemple n 1 ont été recuites pendant 48 heures à 630 C.Après le refroidissement, on a déterminé les propriétés mécaniques et trouvé qu'elles étaient les mêmes qu'avant le recuit.
Exemple 3.,
Quelques pièces obtenues suivant le procéda indiqué au premier exemple ont été soumises pendant 28 jours en partie à des températures de 200 et en partie à des températures de 400 . Les propriétés sont restées également inchangées.
On a constaté d'une façon tout à fait inattendue que les pièces en métal léger fabriquées selon le procédé de l'in- vention pouvaient subir un travail de déformation plastique à, à chaud, par exemple /450 0, entre autres par filage à la presse.
Un tel travail de déforme.tion plastique à chaud a notamment l'avantage que la. densité des pièces est encore augmentée du fait du fort pétrissage et ceci jusqu'à une valeur qui ne peut être obtenue sens transformation plastique que par une com- pression à chaud d'une durée excessivement longue.
Exemple 4.
Des pièces en métal léger obtenues par compression à
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froid et ensuite à 60000 de poudre d'aluminium pur d'une fi- nesse telle que toutes les particules avaient au moins une dimension inférieure à 1 millième de mm ont été soumises à une pression de 6 t/om2 pendant une heure. De cette façon, on a obtenu des pièces d'une densité de 2,2. En comprimant encore plus longtemps à haute température, on peut augmenter la den- sité jusqu'à 2,7 (poids spécifique de l'aluminium),mais cette façon de procéder renchérirait considérablement le produit.
Mais si la pièce est, par exemple, transformée en une barre par filage à la presse, on peut atteindre laddensité supérieure en un temps relativement court, de sorte que le produit peut être: fabriqué d'une façon beaucoup plus économique que par une compression de longue durée à chaud. On a augmenté à 2,7 la densi té de pièces obtenues selon le procédé mentionné ci-dessus en les filant à la presse à 4500 à travers une matrice de 15mm d'ouverture; en même temps, l'allongement a été amélioré alors que la limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté Brinell sont restées pratiquement inchangées.
On a ensuite déterminé les propriétés suivantes:
EMI7.1
<tb> : <SEP> Pièces <SEP> de <SEP> métal <SEP> :Barres <SEP> en <SEP> alumi-
<tb>
<tb> léger <SEP> après <SEP> le <SEP> :nium <SEP> pur <SEP> filé <SEP> à <SEP> la
<tb>
<tb> : <SEP> filage <SEP> à <SEP> la <SEP> presse <SEP> :presse, <SEP> à <SEP> titre <SEP> de
<tb>
<tb> ,¯¯¯¯¯¯¯¯¯.... <SEP> comparaison.¯¯¯¯¯ <SEP>
<tb>
EMI7.2
Limite apparente d'élaa- 27 - 30 kg/noz 3,5-5 kg/mm2 tioité 25 - .
Résistance à la traot2nÎ 32 - 35 kgiMM2 z -10 kg/BMi3
EMI7.3
<tb> Allongement <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 8 <SEP> % <SEP> :20 <SEP> - <SEP> 35 <SEP> %
<tb>
<tb> pureté <SEP> Brinell <SEP> 85 <SEP> - <SEP> 100 <SEP> kg/mm2 <SEP> :18 <SEP> -28 <SEP> kg/mm2
<tb>
Quelques unes des pièces obtenues selon l'exemple 4 ont été soumises pendant des temps variés à des températures de 200, 400 et 600 0 après le filage à la presse, sans qu'on ait
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où observer un changement des propriétés mécaniques,.
Pour déterminer les conditions après l'écrouissage (déformation plastique à, froid), des pièces obtenues d'âpres l'exemple 4 ont été étirées de 7 % à, froid au moyen d'une matrice de tréfilage et chauffée ensuite pendant 14 heures à 500 . On a déterminé sur une barre les propriétés suivantes!
EMI8.1
: fiié à, 1a, :
étiré à, recuit
EMI8.2
<tb> presse <SEP> froid
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Limite <SEP> apparente <SEP> d'élasticité <SEP> 25,7 <SEP> 34,3 <SEP> 28,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la. <SEP> traction <SEP> 35,3 <SEP> 37,2 <SEP> 37,0
<tb>
<tb>
<tb> Allongement <SEP> (@ <SEP> 10) <SEP> 5,0 <SEP> % <SEP> 1,0 <SEP> % <SEP> 2,5 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Dureté <SEP> Brinell <SEP> 85 <SEP> 91 <SEP> 91
<tb>
Ainsi qu'on le voit, un écrouissage provoque une légère augmentation de la limite apparente d'élasticité et de la. résistance à la -traction, alors que l'allongement diminue.
Le recuit subséquent ne provoque qu'un rétablissement de la structure cristalline, mais pas de recristallisation, ce qui a, été confirmé par des investigations aux rayons X.
Les pièces en métal léger selon 1'invention n'ont pas seulement une limite apparente d'élasticité, une résis- tance à la traction et une dureté plus grandes à la tempéra,- ture ambiante, mais aussi à des températures plus élevées, ainsi qu'il ressort des Indications suivantes:
Limite apparente
EMI8.3
c'lastiCît6 t, 200 2000 3000 4000 500
EMI8.4
<tb> Pièces <SEP> comprimées <SEP> 25,5 <SEP> 17,7 <SEP> 15,7 <SEP> 10,5 <SEP> 9,5
<tb>
<tb> Avional-D
<tb> (Al-Cu-Mg) <SEP> recuit <SEP> 8,0 <SEP> 6,5 <SEP> 5 <SEP> 3
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> pur <SEP> recuit <SEP> 3,0 <SEP> 1,7 <SEP> 1,5 <SEP> 11,3
<tb>
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Résistance à la traction.¯
EMI9.1
<tb> kg/mm2 <SEP> 20 <SEP> 2000 <SEP> 3000 <SEP> 4000 <SEP> 500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pièces <SEP> comprimées <SEP> 34,8 <SEP> 21,0 <SEP> 17,4 <SEP> 11,2 <SEP> 9,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Avional-D
<tb>
<tb>
<tb> Avional-D <SEP> reouit <SEP> 17,0 <SEP> 12,5 <SEP> 7,0 <SEP> 3,2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> pur <SEP> recuit <SEP> 8,0 <SEP> 4,1 <SEP> 2,6 <SEP> 2,
4 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Dureté <SEP> Brinell <SEP> kg/mm2 <SEP> 200 <SEP> 2000 <SEP> 3000 <SEP> 4000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pièces <SEP> oomprimées <SEP> 92 <SEP> 52 <SEP> 42 <SEP> 30
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Avional-D
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (Al-Cu-Mg) <SEP> recuit <SEP> 45 <SEP> 21 <SEP> 9 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Aluminium <SEP> pur <SEP> recuit <SEP> 18 <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> -
<tb>
Il faut encore remarquer que les pièces en métal léger selon l'invention ont une conductibilité électrique et thermique relativement grande en oomparaison de celles des alliages d'alu- minium présentant des propriétés mécaniques semblables à la température ordinaire.
De plus, le coefficient de dilatation thermique se trouve à la limite inférieure des valeurs valables pour les alliages d'aluminium pour pistons.
Un autre avantage réside dans le fait que les pièces fabriquées selon le procédé de l'invention ne subissent pas de changement permanent de volume sous l'influence d'un chauffage.
La résistance permanente de fluage à chaud est incomparablement meilleure que oelle des alliages d'aluminium connus. La vitesse d'allongement est, par exemple, de 0,62 x 18-3 %/h entre la 25ème et la 35ème heure de sollicitation à une température de 2000 0 et sous une charge de 9 kg/mm2. Dans les mêmes conditions, on obtient avec les alliages du type Al-Ou-Mg traités thermique- ment une vitesse d'allongement de 295 x 10-3 /h, soit donc une valeur de 500 fois supérieure.
Lorsque les pièces sont fabriquées à partir de poudre d'aluminium pur, elles offrent dans les brpuillards
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salins la même résistance à, la, corrosion que l'aluminium pur.
Par a,ddition de poudres de métaux étrangers déter- minés à le, poudre d'aluminium ou pa,r utilisation d'alliage d'a- luminium pulvérisé, on peut obtenir d'après le procédé de l'invention des pièces en métal léger améliorable par trai- tement thermique (recuit, trempe, éventuellement vieillisse- ment à, température élevée), le traitement thermique provo- quant une augmentation de la limite apparente d'élasticité, de la résistance à la. traction et de la, dureté Brinell. Ces va,leurs sont supérieures à celles des pièces obtenues à partir de poudre.'d'aluminium pur.
L'emploi simultané de poudres de différentes composi- tions permet la fabrication de pièces présentant des. proprié- tés inégalement réparties, ce qui est, par exemple, souvent désirable pour les pistons de moteurs à comb&stion interne,cat le fond du piston est soumis à d'autres sollicitations que le carps,
Une augmentation de la teneur en oxyde de la poudre d'aluminium provoque une augmentation de la dureté, alors que l'allongement et la résistance à la. traction diminue,nt.
On peut à. volonté, en utilisent des poudres d'aluminium de diffé- rentes teneurs en oxyde, fabriquer des pièces comprimées qui possèdent par exemple une dureté plus grande à la, surfa.ce et une résistance à la traction plus grande à 1''intérieur. On peut aussi utiliser de la poudre à teneur uniforme en oxyde et enri- ohir en oxyde la zone superficielle du corps comprimé au moyen d'un traitement approprié.
La. poudre d'aluminium peut être utilisée sèche. Il peut toutefois être avantageux d'en faire une pâte au moyen d'un liquide, par exemple de l'ea,u, etde la, soumettre ainsi à la compression. Il .'est généra.lement pas nécessaire d'exécuter les opérations sous une atmosphère spéciale,,Dans certaines
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,circonstances, il peut cependant être avantageux d'utiliser une @ ,atmosphère spéciale, par exemple lorsqu'on veut donner à la zone superficielle de la pièce des propriétés différentes.
Pour empêcher une oxydation trop grande, il peut être indiqué de fabriquer la pièce sous une atmosphère protectrice, par exemple d'hydrogène ou d'azote, en particulier de la fritter et de la comprimer sous une telle atmosphère. Il est naturellement possi- ble de fabriquer la pièce en métal léger partiellement ou totalement sous pression réduite ou sous pression élevée.
Nous avons vu plus haut que la température la plus favorable pour le frottage est de 550-6000 C. Des essais plus récents ont conduit au résultat surprenant suivant: Par compres- sion à froid et par déformation plastique à des températures su- périeures à 35000, qui n'ont pas besoin de dépasser 5000, on peut obtenir des pièces en aluminium présentant une résistance à la traction supérieure à 25, de préférence d'au moins 30 kg/mm2 au moins dans un sens ainsi qu'une dureté Brinell d'au moins
75 kg/mm2 mme à l'état tecuit sans qu'une opération spéciale de frittage ni une opération spécial de compression à chaud ne soit nécessaire.
La compression à chaud pour l'augmentation de la den- sité des pièces en métal léger, dont il est question dans la première partie du présent exposé, ne doit pas être confondue avec la déformation plastique à chaud. Lors de la compression à chaud, les particules de poudre sont simplement pressées les unes contre les autres, sans phénomène d'écoulement. Cette opéra- tion est généralement effectuée dans un cylindre creux. Lors de la déformation plastique à chaud(filage à la presse, matrigage, etc..) on observe un écoulement de la masse, c'est-à-dire un glissement des particules les unes sur les autres. Il faut donc
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entendre sous déformation plastique à chaud une compression à chaud accompagnés d'un pétrissage. Il n'est pas possible de donner une valeur minimum pour le degré du pétrissage.
Ici éga- lement, c'est l'essai qui décide. On a trouvé qu'un degré de déformation supérieur à 50 % est désirable. Lorsqu'on effectue la déformation plastique par filage à le, presse, par exemple, ou on prendra soin que la diminution du diamètre dépasse 50 %, de préférence même 70 %.
Par le fait qu'on peut passer de la compression à froid à la déformation plastique à, chaud sans opération inter- médiaire, on économise du temps et de l'énergie, surtout parce qu'on peut travailler à des températures moins élevées pour obtenir des produits d'une valeur à peu près égale.
Théoriquement, on pourrait se passer de la, compres- sion à froid, ma.is ceci provoquers.it des difficultés techni- quesqui rendra.ient illusoire , a.u point de vue économique, un ga,in de temps éventuel.
Exemple -
De la, poudre d'aluminium du commerce pratiquement exempte de graisse, dont les particules sous forme de pail- lettes avaient une épaisseur inférieure a 1 millième de mm, a. été comprimée à, froid dans un cylindre creux de 100 mm de diamètre intérieur, sous une pression de 5 t/cm2. La pièce obtenue avait une hauteur de 200 mm. Cette pièce a été ensui- te chauffée à 5000 et filée à la presse à trrvers une Patrice de 50 mm d'ouverture. Le récipient avait été également chauffé à 5000 environ.
La barre ronde obtenue, d'une épaisseur de 50 mm; présentant les propriétés mécaniques suivantes:
Limite apparente d'élasticité 25 - 26 kg/mm2
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Résistance à la traction 30 - 33 kg/mm2
Allongement (@10) 6 - 8 %
Dureté Brinell 80 - 95 kg/mm2
Les pièces métalliques fabriquées d'après'le procédé @ de l'invention sont tout particulièrement appropriées aux applications où l'on exige de hautes propriétés mécaniques et où les pièces sont soumises à des températures élevées.
C'est par exemple le cas de pistons à moteurs à combustion interne, d'anneaux de pistons, d'aubes.de turbines à vapeur et à gaz, des pièces de propulseurs à jet. On peut aussi fabri- quer des moules permanents pour la coulée de certains métaux en,particulier de l'aluminium et de ses alliages.
REVENDICATIONS I.) Procédé de fabrication de pièces en métal léger présentant un poids spécifique de 5 au moins, de préfé- renoe de 3 au plus, une résistance à la traotion d'au moins
30 kg/mm2 et une dureté rinell d'au moins 80 mg/mm2 même à l'état recuit.
2.) Procédé de fabrioation de pièces en métal léger suivant I,caractérisé par le fait que l'on comprime et fritte de la poudre d'aluminium d'une finesse telle que 50 % des particules au moins ont au moins d'une dimension inférieure à 2 millièmes de mm.
3.) Procéda de fabrication de pièces en métal léger suivant I, caractérisé par le fait que l'on utilise de la poudre d'un alliage d'aluminium, 4. ) Procédé de fabrication de pièces en métal léger suivant I, caractérisé par le fait que l'on ajoute d'autres .substances à la poudre d'aluminium.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Day process for the manufacture of light metal parts and parts manufactured according to this process
We know that aluminum and its alloys have many uses, especially thanks to their lightness. Pure aluminum, however, has little mechanical strength. In the successful state, the tensile strength is 7 to 9 kg / mm2 and the Brinell hardness is 20 to 25 kg / mm2.
For cold plastic deformation (roughening), the tensile strength can be increased up to 20 kg / mm2 @
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and Brinell hardness up to 40 kg per mm2. By adding other elements, such as drunk and magnesium, these values can be increased. The alloys obtained are partly hardenable, that is to say that their tensile strength and their Brinell hardness can be increased by solubility annealing, quenching and aging either at ordinary temperature or at a higher temperature - In this way, we succeed in obtaining resistance to trauma up to
50 and Brinell rural areas up to. 150 kg / mm2.
In many cases where metal parts are subjected to high temperatures (for example, higher service than 2000 C., one cannot base his calculations on these high values of the mechanical properties of light metal parts, because both cold plastic deformation hardened metal as well as heat treated hardened metal undergo soft annealing, which results in mechanical damage values falling to those of annealed metal. tensile strength of aluminum alloys of the type Al-Cu-Mg hardened by heat treatment falls from 42 to 58 kg / to 16-22 kg / mm2 mm2 /.
Until now, it has appeared to be excluded to manufacture light aluminum alloys which do not lose their high mechanical properties under the effect of annealing at temperatures of 200 to 5000 C. for example.
The present invention relates to a method of manufacturing light metal parts having a specific weight of 5 and less, preferably at most 3, a tensile strength of at least 30 kg / mm2 and a tensile strength. Bri- nell hardness of at least 80 kg / mm2 even at. the annealed state. These metal parts are obtained by compression and sintering of pure aluminum powder or aluminum with the addition of elements.
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alloy, this powder having such a fineness that at least 50% of the particles have at least one dimension less than 2 thousandths of a mm.
As the aluminum powder is generally in flakes, it is the thickness of the latter which is less than 2 thousandths of a mm. The invention also relates to light metal parts manufactured according to the new process.
It was already known how to produce massive metal parts by compression and sintering of metal powder. However, it could not be expected that one could obtain starting from pure aluminum powder (which cannot be obtained by work hardening than a tensile strength of at most about 20 kg / mm2, this value falling below 10 kg / mm2 by soft annealing) of solid metal parts having a tensile strength of 30 kg / mm2 for example and which practically retain this resistance even after annealing at a temperature below the melting point, for example at 600 C. It is possible to start from aluminum powder produced by any process, for example by ramming or in a ball mill.
The surprising fact that pure aluminum powder can provide metal parts with high resistance to trauma and great hardness may be due to the influence, on the one hand, of particle size, on the other hand. , the oxide film covering these particles,
The substantially fat-free aluminum powder which is commercially available in the form of small flakes is generally sufficiently oxidized and sufficiently fine to ensure the success of the present process.
Tests have shown that aluminum powder practically free from oxide or containing only a small percentage thereof is not
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appropriate, since the values indicated for the resistance to. traction and for the, Brinell hardness. Obviously, tensile strength and Brinell hardness do not increase brazing with increasing oxide content. The claimed protection, however, extends to all light metal parts produced by the process according to the invention as soon as they reach the values indicated for strength, traction, Brinell hardness and specific weight.
Like the. Particle size also plays a role, the minimum amount of oxide required cannot be specified. If one wants to know whether a powder is suitable, a test must be carried out.
The aluminum used can also contain foreign elements, for example copper, magnesium and silicon.
In other words, powder of aluminum alloys can also be used. The foreign elements can be present in elementary form or in the form of combinations between them; they can also be added to the aluminum powder in the form of powdered aluminum master alloys. These elements become alloyed with the aluminum powder particles by diffusion during sintering. Of course, it is also possible to add other substances to the aluminum powder, provided that the specific gravity of 5, is preferred. - it is not exceeded and a tensile strength of at least 30 kg / mm2 and a Brinell hardness of at least 80 Kg / mm2 are reached.
The treatment can be carried out in different ways, for example by: a) - 1 - Cold compression
2 - Sintering
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3 - Subsequent hot compression. b) - 1 - Cold compression.
2 - Subsequent hot compression and sintering, @ c) - Hot compression and sintering.
It is of course possible to carry out additional operations between the operations mentioned above,
During cold compression, a pressure of 2 t / om2 is advantageously applied. When hot pressing, if possible, this is achieved up to the pressure that the press tools can still withstand, When hot pressing and sintering, the temperature should be high enough so that the desired properties of the parts light metal are obtained in an economically bearable time.
On the other hand, the temperature should not be so high that one ultimately obtains a foundry part instead of a sintered part; in fact, the castings cannot achieve the mechanical properties indicated. The temperature should be at least 4000. A very favorable temperature is 550 - 60000,
The duration of the compression and of the sintering can vary within wide limits depending on the temperature and the properties that are to be obtained. The higher the temperature; the shorter the duration can be. Temperature also has an influence on compression. In fact, the higher the temperature, the easier the compression.
Hot pressing can be accompanied by suitable shaping, so that parts can be obtained which need no subsequent machining or only light machining.
Example, 1.
Pure aluminum powder, all the particles of which had at least a dimension of less than 1 thousandth of a mm, has undergone a prior cold compression and was
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then transformed into massive metal parts by compression at 600 C under a pressure of 6 t / cm2, maintained for 1 minute. The parts obtained exhibited the following mechanical properties:
Specific gravity ............ 2.2
Yield strength ......... 28 - 30 kg / mm2 Tensile strength .., .. 32 - 36 kg / mm2
Elongation (@ 10) ........... 2 - 5%
Brinell hardness .............. 85 - 100 kgjmm2.
Example 2 ,,
Some parts obtained as described in Example No. 1 were annealed for 48 hours at 630 C. After cooling, the mechanical properties were determined and found to be the same as before annealing.
Example 3.,
Some parts obtained following the procedure indicated in the first example were subjected for 28 days partly to temperatures of 200 and partly to temperatures of 400. The properties also remained unchanged.
It has been found, quite unexpectedly, that the light metal parts manufactured according to the process of the invention can undergo plastic deformation work at, hot, for example / 450 0, among others by spinning. the press.
Such hot plastic deforme.tion work has the particular advantage that the. The density of the parts is further increased due to the strong kneading and this up to a value which can only be obtained in the plastic transformation sense by hot compression of an excessively long duration.
Example 4.
Light metal parts obtained by compression at
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cold and then to 60,000 pure aluminum powder of a fineness such that all the particles had at least a size of less than 1 thousandth of a mm were subjected to a pressure of 6 t / om 2 for one hour. In this way, parts with a density of 2.2 were obtained. By compressing even longer at high temperature, the density can be increased up to 2.7 (specific gravity of aluminum), but this way of proceeding would considerably increase the cost of the product.
But if the part is, for example, made into a bar by press spinning, the higher density can be achieved in a relatively short time, so that the product can be produced in a much more economical way than by compression. long lasting hot. The density of parts obtained according to the above-mentioned process was increased to 2.7 by spinning them at 4500 through a die of 15mm opening; at the same time, the elongation was improved while the yield strength, tensile strength and Brinell hardness remained virtually unchanged.
The following properties were then determined:
EMI7.1
<tb>: <SEP> Parts <SEP> of <SEP> metal <SEP>: Bars <SEP> in <SEP> alumi-
<tb>
<tb> light <SEP> after <SEP> the <SEP>: pure nium <SEP> <SEP> spun <SEP> to <SEP> the
<tb>
<tb>: <SEP> spinning <SEP> to <SEP> the <SEP> press <SEP>: press, <SEP> to <SEP> title <SEP> of
<tb>
<tb>, ¯¯¯¯¯¯¯¯¯ .... <SEP> comparison.¯¯¯¯¯ <SEP>
<tb>
EMI7.2
Apparent limit of elaa- 27 - 30 kg / noz 3.5-5 kg / mm2 tioity 25 -.
Resistance to traot2nÎ 32 - 35 kgiMM2 z -10 kg / BMi3
EMI7.3
<tb> Elongation <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 8 <SEP>% <SEP>: 20 <SEP> - <SEP> 35 <SEP>%
<tb>
<tb> purity <SEP> Brinell <SEP> 85 <SEP> - <SEP> 100 <SEP> kg / mm2 <SEP>: 18 <SEP> -28 <SEP> kg / mm2
<tb>
Some of the parts obtained according to Example 4 were subjected for various times to temperatures of 200, 400 and 600 0 after the spinning in the press, without having
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where to observe a change in mechanical properties ,.
To determine the conditions after work hardening (plastic deformation at, cold), parts obtained from example 4 were drawn by 7% at, cold by means of a drawing die and then heated for 14 hours at. 500. The following properties have been determined on a bar!
EMI8.1
: related to, 1a,:
stretched, annealed
EMI8.2
<tb> cold press <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Apparent <SEP> limit <SEP> of elasticity <SEP> 25.7 <SEP> 34.3 <SEP> 28.9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Resistance <SEP> to <SEP> la. <SEP> traction <SEP> 35.3 <SEP> 37.2 <SEP> 37.0
<tb>
<tb>
<tb> Elongation <SEP> (@ <SEP> 10) <SEP> 5.0 <SEP>% <SEP> 1.0 <SEP>% <SEP> 2.5 <SEP>%
<tb>
<tb>
<tb> Hardness <SEP> Brinell <SEP> 85 <SEP> 91 <SEP> 91
<tb>
As can be seen, strain hardening causes a slight increase in the elastic limit and in the. tensile strength, while elongation decreases.
The subsequent annealing only causes a reestablishment of the crystal structure, but no recrystallization, which has been confirmed by X-ray investigations.
The light metal parts according to the invention not only have higher apparent yield strength, tensile strength and hardness at room temperature, but also at higher temperatures, as well. that it emerges from the following indications:
Apparent limit
EMI8.3
c'lastiCît6 t, 200 2000 3000 4000 500
EMI8.4
<tb> Compressed <SEP> parts <SEP> 25.5 <SEP> 17.7 <SEP> 15.7 <SEP> 10.5 <SEP> 9.5
<tb>
<tb> Avional-D
<tb> (Al-Cu-Mg) <SEP> annealed <SEP> 8.0 <SEP> 6.5 <SEP> 5 <SEP> 3
<tb>
<tb> Pure <SEP> aluminum <SEP> annealed <SEP> 3.0 <SEP> 1.7 <SEP> 1.5 <SEP> 11.3
<tb>
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Tensile strength
EMI9.1
<tb> kg / mm2 <SEP> 20 <SEP> 2000 <SEP> 3000 <SEP> 4000 <SEP> 500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Compressed <SEP> parts <SEP> 34.8 <SEP> 21.0 <SEP> 17.4 <SEP> 11.2 <SEP> 9.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Avional-D
<tb>
<tb>
<tb> Avional-D <SEP> rehearsed <SEP> 17.0 <SEP> 12.5 <SEP> 7.0 <SEP> 3.2
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pure <SEP> aluminum <SEP> annealed <SEP> 8.0 <SEP> 4.1 <SEP> 2.6 <SEP> 2,
4 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Hardness <SEP> Brinell <SEP> kg / mm2 <SEP> 200 <SEP> 2000 <SEP> 3000 <SEP> 4000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Compressed <SEP> parts <SEP> 92 <SEP> 52 <SEP> 42 <SEP> 30
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Avional-D
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (Al-Cu-Mg) <SEP> annealed <SEP> 45 <SEP> 21 <SEP> 9 <SEP> -
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pure <SEP> aluminum <SEP> annealed <SEP> 18 <SEP> 6 <SEP> 1 <SEP> -
<tb>
It should also be noted that the light metal parts according to the invention have a relatively high electrical and thermal conductivity in comparison with those of aluminum alloys exhibiting similar mechanical properties at ordinary temperature.
In addition, the coefficient of thermal expansion is at the lower limit of the values valid for aluminum alloys for pistons.
Another advantage lies in the fact that the parts manufactured according to the process of the invention do not undergo a permanent change in volume under the influence of heating.
The permanent hot creep resistance is incomparably better than that of known aluminum alloys. The elongation rate is, for example, 0.62 x 18-3% / h between the 25th and the 35th hour of stress at a temperature of 2000 0 and under a load of 9 kg / mm 2. Under the same conditions, heat-treated Al-Ou-Mg type alloys are obtained at an elongation rate of 295 × 10-3 / h, ie a value of 500 times greater.
When parts are made from pure aluminum powder, they offer
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saline have the same corrosion resistance as pure aluminum.
By adding powders of foreign metals determined by aluminum powder or by using powdered aluminum alloy, metal parts can be obtained according to the process of the invention. slight improvement by heat treatment (annealing, quenching, possibly aging at, elevated temperature), the heat treatment causing an increase in the apparent limit of elasticity and resistance to. traction and Brinell hardness. These values are higher than those of the parts obtained from pure aluminum powder.
The simultaneous use of powders of different compositions enables the manufacture of parts exhibiting. unevenly distributed properties, which is, for example, often desirable for pistons in internal combustion engines, since the piston base is subjected to other stresses than the carps,
An increase in the oxide content of the aluminum powder causes an increase in hardness, while the elongation and resistance to. traction decreases, nt.
We can at. will, by using aluminum powders of different oxide contents, to manufacture compressed parts which have, for example, greater hardness at the surface and greater tensile strength inside. Powder with a uniform oxide content can also be used and the surface area of the compressed body can be enriched with the oxide by suitable treatment.
The aluminum powder can be used dry. It may however be advantageous to make a paste of it by means of a liquid, for example water, u, and to subject it to compression. It is generally not necessary to carry out operations under a special atmosphere.
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Under circumstances, however, it may be advantageous to use a special atmosphere, for example when it is desired to give the surface area of the part different properties.
To prevent excessive oxidation, it may be advisable to manufacture the part under a protective atmosphere, for example of hydrogen or nitrogen, in particular to sinter and compress it under such an atmosphere. It is of course possible to manufacture the light metal part partially or totally under reduced pressure or under high pressure.
We have seen above that the most favorable temperature for rubbing is 550-6000 C. More recent tests have led to the following surprising result: By cold compression and by plastic deformation at temperatures above 35000 , which need not exceed 5000, aluminum parts can be obtained having a tensile strength greater than 25, preferably at least 30 kg / mm2 at least in one direction as well as a Brinell hardness d 'at least
75 kg / mm2 even in the cured state without a special sintering operation or a special hot pressing operation being necessary.
Hot compression for increasing the density of light metal parts, which is discussed in the first part of this disclosure, should not be confused with hot plastic deformation. During hot pressing, the powder particles are simply pressed against each other, without flow phenomenon. This operation is usually carried out in a hollow cylinder. During hot plastic deformation (press spinning, die-stamping, etc.), a flow of the mass is observed, that is to say a sliding of the particles one on top of the other. Must therefore
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hear under hot plastic deformation hot compression accompanied by kneading. It is not possible to give a minimum value for the degree of kneading.
Here too, it is the test that decides. It has been found that a degree of strain greater than 50% is desirable. When carrying out the plastic deformation by extrusion in the press, for example, or care should be taken that the decrease in diameter exceeds 50%, preferably even 70%.
By the fact that we can pass from cold compression to plastic deformation to hot without any intermediate operation, we save time and energy, especially because we can work at lower temperatures to obtain products of roughly equal value.
Theoretically, cold compression could be dispensed with, but this would cause technical difficulties which would make it illusory, from an economic point of view, a minimum of time.
Example -
Virtually fat-free commercial aluminum powder, the flake-like particles of which were less than 1 thousandth of a mm thick, a. was cold pressed in a hollow cylinder with an internal diameter of 100 mm, under a pressure of 5 t / cm2. The part obtained had a height of 200 mm. This part was then heated to 5000 and extruded in the press through a Patrice with 50 mm opening. The vessel had also been heated to about 5000.
The round bar obtained, with a thickness of 50 mm; exhibiting the following mechanical properties:
Apparent yield strength 25 - 26 kg / mm2
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Tensile strength 30 - 33 kg / mm2
Elongation (@ 10) 6 - 8%
Brinell hardness 80 - 95 kg / mm2
Metal parts manufactured according to the process of the invention are particularly suitable for applications where high mechanical properties are required and where the parts are subjected to high temperatures.
This is, for example, the case with pistons with internal combustion engines, piston rings, vanes, steam and gas turbines, and parts of jet thrusters. It is also possible to manufacture permanent molds for the casting of certain metals, in particular aluminum and its alloys.
CLAIMS I.) A method of manufacturing light metal parts having a specific weight of at least 5, preferably at most 3, a resistance to trauma of at least
30 kg / mm2 and a rinell hardness of at least 80 mg / mm2 even in the annealed condition.
2.) A method of manufacturing light metal parts according to I, characterized in that aluminum powder is compressed and sintered with a fineness such that at least 50% of the particles have at least one dimension less than 2 thousandths of a mm.
3.) Manufacturing process of light metal parts according to I, characterized by the fact that powder of an aluminum alloy is used, 4.) Manufacturing process of light metal parts according to I, characterized by the fact that other .substances are added to the aluminum powder.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.