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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 **.