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La présente invention est relative à la fabrication des alliages à base d'aluminium qui contiennent du magnésium comme le plus importantdes éléments -autres que l'aluminium.
Comme on le sait, le sodium est très fréquemment présent dans une très faible proportion (et constituant une impureté) dans les alliées d'aluminium et dans les lingots d'aluminium "pu4" Qui sont utilisés normalement pour la pro- duction des alliages. Ces alliages peuvent être sous la forme de pièces de fonderie produites par le procédé habituel au sable et au moule permanent, ou sous la forme de billettes ou blocs desti- nés à être extrudés ou laminés. Le sodium résiduel constituant
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une impureté dans ces alliages s'y trouve rarement dans une proportion supérieure à 0,005 % et, le plus souvent, y est présent dans la proportion de 0,0005 f à 0,004 %.
Dans certains alliages d'aluminium, ce sodium constituant une impureté n'a pas une influen- ce bien définie et ne doit certainement pas être considère comme particulièrement nuisible, mais on néanmoins été amené à penser au cours des dernières années, que la tendance à être cassants et à la fragilité à chaud constatée dans les alliages à base d'aluminium contenant du magnésium comme l'élément le plus important de l'alliage autre que l'aluminium, pouvait être due en fait à la présence dans cet alliage de faibles quantités de sodiun.
L'inventeur a pu établir par ses recherches que cette hypothèse est bien fondée et que les effets nuisibles dûs à la présence de sodium dans ces alliages particuliers peuvent se remar- quer en pratique dans les alliages, qui contiennent environ 2 % de magnésium, ces effets étant plus marqués à mesure que la propor- tion de magnésium augmente au-dessus de cette première valeur.
Par exemple, dans les alliages contenant environ 5 % de magnésium (c'est-à-dire les alliages conformes à la spécification britannique
N6, normalement employés pour les produits faits par extrusion ou par laminage, et contenant de 4,5 à 5,5% de magnésium et de 0 à 1 % de maganèse) le sodium présent dans une proportion dépassant 0,002 % peut engendrer des fissures très prononcées pendant le lami- nage. De beaucoup plus faibles quantités de sodium sont déjà très nuisibles, mais à un degré moindre. Les défectuosités produites peuvent prendre la forme de fissures sur les bords, de craquelures sur la surface ou de formation 'de peau de crocodile", (c'est-à- dire la rupture partielle du bloc le long du plan central parallèle à la surface de laminage).
Pour des quantités de sodium de l'ordre de 0,003 la fissuration peut être suffisamment importante pour entraîner le rebut complet du matériau dès le début du traitement.
La contamination par le sodium a un effet très im-
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portant sur les propriétés mécaniques des alliages lorsqu'on soumet ceux-ci aux essais de traction habituels. Ceci est parti- culièrement apparent dans les essais qui sont effectués à des tem- pératures élevées (450 C) le pourcentage d'allongement peut être réduit par la présence de 0,002 à 0,003 de sodium jusqu'à n'être plus qu'un dixième de l'allongement qui peut être obtenu avec u métal à peu près exempt de tout sodium.
Décerne, dans les alliages de fonderie, par exemple les allïagès correspondant à la spécification britanique EM10, contenant de 9 à 11% de magnésium, des traces de sodium ont un effet extrêmement frappant, 0,002 %' étant suffisant pour réduire l'allongement des éprouvettes coulées traitées thermiquement, de 20 % et plus à environ 3 %
On n'avait pas encore compris très clairement pourquoi des traces de sodium pouvaient n'avoir aucun effet nuisible dans beaucoup d'alliages d'aluminium et néanmoins, avoir les effets nuisibles très prononcés qui viennent d'hêtre décrits dans les 'alliages d'aluminium qui contiennent du magnésium en tant que principal élément de l'alliage en dehors de l'aluminium.
La Demanderesse a constaté que dans les alliages dans lesquels les impuretés de sodium sont en apparence inoffensives, le sodium se présente en combinaison et normalement sous la forme d'un composé t ternaire d'aluminium-silicium-sodium. C'est sous cette forme que le sodium est présent dans l'aluminium "pur" commercial qui contient une quantité appréciable de silicium' (1 % et plus). Dans les alliages, au contraire, qui sont sujets à devenir cassants, le sodium est présent à l'état '"libre" ou non combiné et, dans cet état, peut produire une grande faiblesse intercirstalline, parti- culièrement aux températures élevées.
La sensibilité des alliages contenant du magnésium peut être attribuée au fait que le magnésium a une affinité marquée par le silicium et tend à former le composé stable MgSi.
Dans des conditions favorables il tend réagir avec le composé
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ternaire aluminium- silicium-sodium (qui sera. désingné pour plus de facilité par [AlSiNa] et ainsi libère du sodium libre suivant la réaction suivante : [AlSiNa] + Mg # Mg2Si + Na.
La Demanderesse a pu Etablir dans quelles conditions cette réaction s'effectue dans le sens de la flèche, ce qui pro- duit du sodium à l'état cassant. Il semble que dans un alliage solide une proportion de magnésium supérieure à ! % est suffisante pour arriver à ce résultat, bien que dans la pratique le résultat n'est pas apparent tant que la proportion de magnésium n'a -pas atteint 2 % et le résultat est ensuite d'autant plus marqué que la proportion augmente dans l'alliage.
Il serait extrêmement difficile de pouvoir suivre les changements de constitution dans ces alliages avec des pro- portions de sodium extrêmement faibles si l'on employait les procédés métallurgiques .normaux et la Demanderesse a fait un usage très étendu d'une technique par "absorption d'hydrogène, Cette technique consiste à chauffer un échantillon- d'alliage dans l'hy- drogène pur à une température élevée, la 'Pression de l'hydrogène étant supérieure à la pression de dissociation de l'hydrure de sodium NaH à cette température ; unetempérature satisfaisante est en général de 450 C ce qui entraîne alors. une pression de 4 atmosphères pour l'hydrogène.
Dans ces conditions, si le sodium est présent dans l'alliage sous forme d'un composé intermétallique (c'est-à-dire le composé ternaire aluminium-silicium-sodium) la quantité d'hydrogène absorbée et mesurée nar une .extraction à chaud par le vide est faible et en général inférieure à 0,1 cm3 par 100 gr, dans les conditionsnormales de température et de pression. Si néanmoins une partie du sodium est présenteà l'état libre il se produit une absorption marquée d'hydrogène correspondant à la formation dans le métal d'un hydrure de sodium.
Etant donné que la conversion de 0,001 % de sodium seulement en hydrure entraîne une
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absorption d'hydrogène équivalut à 0,49 cm3 par 100 gr dans les conditions normales de température et de pression, on voit que ce procédé de mesure constitue un procède excellent pour doser le so- dium libre et a permis d'élucider les effets que produit en géné- ral la présence de sodium dans des alliages variés.
Lorsque l'on effectue ces essais il est néanmoins important de réduire très fortement la porosité des éprouvettes d'alliages d'aluminium employées avant de procéder à l'absorption car sans cela on pourrait obtenir des résultats inexacts; une précaution satisfaisante con- siste à presser à chaud l'alliage dans une matrice pendant 15 minutes sous une pression d'environ 15 kg 75 par mm2 à une tempe- rature d'environ 450 C avant de le soumettre à l'action de l'hydro- gène.
Il est important de définir dès maintenant les alliages qui sont sujets à deverir cassants sous l'effet de la présence du sodium suivant le mécanisme qui vient d'être exposé et qui sont, par conséquent considérés comme rentrant dans le cadre de la pré- sente invention.
Les plus importants alliages à base d'aluminium con- tenant du magnésium comme principal constituant de l'alliage en dehors de l'aluminium sont les alliages normaux d'aluminium et de magnésium de forge et de fonderie qui contiennent plus de 1 % de magnésium,par exemple les alliages'qui rentrent dans les spé- cifications britanniques GEN4, GE N5, GE N6, GE N7 et GE LM5, GE' LM10. Ces alliages contiennent de 2,5à 11 % de magnésium et, à part de faibles quantités de fer oude silicium (sauf dans le cas de LM10' ne reçoivent comme addition d'alliage que du manganèse ou du chrome. Ces constituants sont sans action sur l'état d'équi- libre du sodium.
Dans les alliages à base d'aluminium et contenant du magnésium dans lesquels le mangésium n'est pas le principal consti- tuant en dehors de l'aluminium, il peut être possible d'avoir une
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proportion de magnésium dépassant de beaucoup la proportion de 1 % qui a été mentionnée plus haut sans néanmoins aue l'on puisse observer aucune action du sodium pouvant produire un état cassant.
Les alliages qui contiennent du zinc comme principal élément de l'alliage en dehors de l'aluminium semblent se comporter de cette façon, vraisemblablement parce que le zinc réduit très
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fortement '1'activité" chimique du magnésium et empêche ainsi la décomposition du composé ternaire aluminium-sillcium-sOdfum.
Ainsi, un alliage dont la composition s'approche de celle de l'alliage DTD.687 et est la suivante
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Magnésium...... 3,4 Magnésim 3.,4 g
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<tb> 'Zinc <SEP> 5,6 <SEP> '
<tb>
<tb> Cuivre <SEP> 1,35 <SEP> % <SEP>
<tb>
EMI6.4
Manganèse ..... 040 % Chrome ........ 0,12 f Fer ...-........ 0,1..
EMI6.5
<tb> Silicium...... <SEP> 0,19 <SEP> % <SEP>
<tb>
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.avec une proportion de sodium de 0006% n'a présenté qu'une absorption d'hydrogène de 0,2 cm3 pour 100 gr, (pour les pression et tempé-
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rature normales! à 450a- sous une pression de 4 atmosphères. Cet alliage peut être\aminé à chaud de façon satisfaisante et sans fissuration appréciable.
Des alliages de ce type ne sont pas sujets à devenir cassants sous l'effet du sodium et ne doivent pas par conséquent être considérés comme entrant dans le cadre de la pré- sente invention.
Dans la fabrication des alliages d'aluminium contenant du magnésium- comme principal constituant en dehors de l'aluminium
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la proportion de sodium "libre* dans le bain de.fusion peut être réduite à environ 0,0()4 e par une oxydation sélective de la sur- face du métal en fusion et peut être ensuite réduite à environ 0,002 % si l'on fait barboter de l'azote à travers le métal en fusion.
Il est d'usage courant d'essayer en outre de réduire
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la contamination résultant de la présence du sodium à un miniumium en faisant agir sur l'alliée en fusion du chloreà l'état gazeu ou des composés du chlore tels que l'hexachloréthane ou le tétre- chlorure de carbone, soit seul soit en combinaison avec un gaz sevant de véhicule tel que l'azote ON empoiie aussi de for- tes additions de fondants avec des fondants à base de chlorue de magnésium.
Ces différentes mesures ne sont pas toujours complete ment efficaces et particulièrement lorsque la teneur initiale en sodium dans le bain de fusion est assez élevée, c'est-à-dire. supérieure à 0,004 des quantités importantes des réactile doivent être employées;
le traitement est coûteux, il prend beau- coup de temps et il donne lieu à la production de vapeurs désagréa- ' blés? enfin, on perd une partie du magnésium du bain de fuisce
L'un des buts de la présente invention est de fourni, un procédé perfectionné très efficace et néanmoins simple, permet- tant de réduire très considérablement ou dliminer complètement les effets nuisibles du sodium dans les alliages à base d'aluminium qui contiennent du magnésium comme principal constituant de l'alliage en dehors de l'aluminium.
Un autre but de l'invention est de pro- duire des alliages à base d'aluminium contenant du magnésium comme principal constituant de l'alliage en dehors de l'aluminium dans une proportion supérieure à 1% et qui peuvent contenir du sodium jusqu'à au moins 0,01 1% et néanmoins rester entièrement dépourvus de toute tendance \ une fissuration inadmissible pendant le travail à chaud, tandis que les propriétés de ces alliages sont améliorées lorsqu'ils sont à l'état brut de fonte,
d'extrusion et d'ébauche
Suivant une des caractéristiques de l'invention les effets nuisibles résultant de la présence du sodium dans un alliage à base d'aluminium contenant du magnésium comme principal constituant de l'alliage en dehors de l'aluminium sont réduits par l'addition d'une faible proportion de bismuth à l'alliage.
Une autre caractéristique de l'invention est la pro-
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duction d'un nouvel alliage à base d'aluminium contenant au magné- sium commeprinciapal constituant de l'alliage en dehors de l'alu- minium dans une proportion atteignant au moins 1 % en poids et dans lequel est incorporée une faible proportion debismuth-
Normalement le bismuth n'est pas Une impureté dont on puisse déceler la présence dans les alliages d'aluminium et la proportion de bismuth présent est le plus souvent notablement inférieure à 0,
001 . Cette quantité est insuffisante pour donner un résultat satisfaisant et le procédé conforme à l'invention comporte une'addition de bismuth d'une certaine importance à un stade quelconque de la fabrication des alliages eux-mêmes ou des métaux qui sont des constituants de l'alliage.
Une autre caractéristique de l'invention est en consé- quence constituée par de nouveaux alliages à base d'aluminium et Contenant du magnésium comme principal élément de l'alliage en dehors de l'aluminium dans une proportion de au moins 1 % en poids, souillés par la présence de sodium dans une proportion inférieure à 0,01% en poids et dans lesquels est incorporé au moins 0,001 en poids de bismuth.
De préférence, la proportion de bismuth à incorporer dans l'alliage est comprise entre 0,001 % et 0,1 % en poids. Il est avantageux que cette proportion de bismuth, incorporée dans les nouveaux alliages soit comprise entre 0,002 -' et 0,02 en' poids- .
On donnera ci-après quelques exemples de la façon dont se comportent les alliages fabriqués conformément à la présente invention, en comparaison avec des alliages semblables Qui n'ont pas subi la même préparation.
Exemple 1. '
Une bain de fusion d'alliage fut préparé suivant la spécification britannique N6 (c'est-à-dire avec une teneur en magnésium d'environ 5 %0 et contenant 0,0033 % de sodium et 0,02 de bismuth. L'alliage fut coulé en un bloc apte à être laminé
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par le procède ordinaire semi-continu de coulée et fut ensuit laminé à chaud jusqu'à obtenir l'épaisseur finale normale (par exemple une réduction de 90 %) avant de procéder au laminage à froid, toutes ces opérations étant effectuées sans qu'aucun signe visible de fissuration inacceptable apparaisse.
Un alliage témoin, par contre, contenant 0,038 % de sodium mais sans addi- tion voulue de bismuth (bismuth non détecté chimiquement), s'est fortement fissuré, après une réduction de 15 % seulement dans l'épaisseur, au laminage à chaud, les conditions étant lden- tiques et dut être rejetécomme ne pouvant pas convenir pour un laminage plus poussée.
Un. essai d'absorption d'hydrogène fut ensuite effectué sur ces deux alliages à une température de 450 C et sous une pression de 4 atmosphères, les deux alliages ayant été préala- blement pressés à chaud de façon à ce qu'ils ne présentent aucune porosité appréciable. Les résultats de l'essai furent de 0,21 cm3 par 100 gr pour l'alliage contenant du bismuth et de 1.64 cm3 par 100 gr pour l'alliage de type courant sans l'addition de bismuth. Un essai semblable effectué sous une pression de 9 atmos- phères a donné les chiffres de 0,27 en? par 100 gr pour le premier alliage et 1,80 car* par 100 gr. pour l'alliage de type courant.
Exemple 2.
Une quantité importante d'un alliage en fusion corres- pondant à la spécification britannique N6 fut traitée avecc une quantité modérée de chlore, puis coulée par le procédé semi- continu de façon à former des blocs ayant 203 mm d'épaisseur et destinés à être laminés. On avait constaté que le métal. avait une teneur de sodium d'environ 0,002' % Pendant le laminage à chaud pour amener les blocs à une épaisseur de 6 mm3, il se produisit une importante fissuration à l'intérieur et En surface.Environ 25% du métal a dû être mis au rebut dès le début du traitement en raison de cet inconvénient et le reste du métal a du subir un
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tracement supplémentaire peu économique apràs le laminage a chaud.
Un second bain de fusion semblable fut traita très fortement par de l'hexachloréthane, le résultat étant que la teneur en sodium fut réduite à moins de 0,001 % Ce métal fut laminé à chaud et ramené à une épaisseur de 6 mm3 d'une façon satisfaisante, sans donner lieu à aucun rebut et, à la fin de l'opération, n'a donné lieu qu'à un très léger traitement supplé- mentaire.
Un troisième bain de fusion semblable ne reçut aucun traitement sufa qu'on lui ajoutât une teneur de 0,01 et de bismuth .grâce à une addition- de la proportion correspondante d'un alliage durcisseur à 2% de 'bismuth. Le métal possédait une teneur de sodium d'environ 0,002 % mais néanmoins fut laminé de façon satisfaisante jusou'à une épaisseur de 6 mm3 et s'est montré comparable en aua- lité avec celui du second bain de fusion.
Les alliages de ces bains de fusion d'essai furent laminés à froid jusqu'à former des feuilles d'une épaisseur de 0 mm 91. Les propriétés mécanique à froid de ces feuilles à l'état simplement laminé et à l'état recuit furent toutes semblables, mais les résultats des essais de traction à chaud à une température de
450 C furent les suivants :
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<tb> Teneur <SEP> en <SEP> Pression <SEP> Allongement
<tb> sodium
<tb> % <SEP> kg/mm2 <SEP> %
<tb>
<tb> Traitement <SEP> léger <SEP> (chlore) <SEP> 0,002 <SEP> 2,2 <SEP> 77
<tb>
<tb> Traitement <SEP> fort(hexachloréthane) <SEP> 0,001 <SEP> 2,5 <SEP> 160
<tb>
<tb> Addition <SEP> de <SEP> bismuth <SEP> (0,01 <SEP> %) <SEP> 0,002 <SEP> 2,5 <SEP> 152
<tb>
Un essai d'absorption d'hydrogène fut ensuite effectua sur ces trois alliages à 450 C sous une pression de 4 atmosphères et donna comme résultat 0,48, 0,04 et 0,01 cm3 par 100 gr pour les Filiales traites par le chlore, l'heachloréthance et le bizuth,
rspectivement Exemple
4 Un bain de fusion correspondant à la spécification bri-
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tannique LM10 et ayant la compostion nominale suivante
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<tb> Mapgnésium <SEP> .... <SEP> 10,8 <SEP> %
<tb>
<tb> Titane <SEP> ...... <SEP> 0,03 <SEP> % <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> Bore <SEP> ......... <SEP> 0,01 <SEP> %
<tb>
<tb>
<tb> Béryllium <SEP> .... <SEP> 0,04 <SEP> % <SEP>
<tb>
et préparé à pattir d'aluminium pur à 99,7 % fut traita d'une façon très complue avec un fondant de carmallite pure anhydre puis fut traité avec de l'hexachloréthane Des éparouveetes furent coulées en ces alliages dans des moules en sable (type DTD) Une faible addition de sodium fût effectuée dans le b,in et de nou- velles éprouvettes furent coulées.
Finalement, une addition de 0,01 % de bismuth fut faite dans le bain sous la forme d'un allia- ge durcisseur d'aluminium à 2% et un troisième 'jeu d'éprouvettes furent coulées. Ces éprouvettes, après un traitement thermique à 430 pendant 16 heures pour rendre solubles les constituants de durcissement et après une trempe à l'huile, présentaient les propriétés (moyennes) suivantes :
EMI11.2
<tb> Traitement <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Pression <SEP> Allongement
<tb> ¯¯¯¯¯¯¯ <SEP> sodimum <SEP> % <SEP> kg/mm2 <SEP> %
<tb>
<tb> Fondant <SEP> puis <SEP> dégazage <SEP> 0,0005 <SEP> 35,12 <SEP> 18,6
<tb>
<tb> Contamination <SEP> par <SEP> le <SEP> sodium <SEP> ' <SEP> 0,002 <SEP> 22,52 <SEP> 3, <SEP> 3 <SEP>
<tb>
<tb> Contamination <SEP> par <SEP> le <SEP> sodium <SEP>
<tb> et <SEP> traitement <SEP> par <SEP> 0,01 <SEP> %' <SEP> de
<tb> bismuth <SEP> 0,002 <SEP> 34,65 <SEP> 18,7
<tb>
Les alliages correspondant à la spécification britan- nique LMLo sont connus pour présenter des propriétés extrêmement satisfaisantes à la fois en ce qui concerne la résistance limite à la traction et une facilité d'allongement élevée.
Leur emploi néanmoins est quelque peu restreint parce qu'ils ont une tendance dans la pratique à se comporter d'une façon irrégulière. Néanmoins, si l'on fait une addition de bismuth dans cet alliage (de l'ordre par exemple de 0005 % à OY02 % en poids) on constate que l'on obtient des propriétés améliorées et un comportement beacuone plus régulier.
On neuf en conclure que la présente invention aura un effet important pour généraliser l'emploi de ce type d;alliage
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On a constaté que pour neutraliser les teneurs de sodium qui se rencontrent normalement dans la production des alliages, c'est-à-dire de 0,0005 % à 0,0005 % des teneurs en bismuth de l'ordre de 0,002 % à 0,02 % donnent des résultats satisfaisants.
Une teneur en bismuth de l'ordre de 0,002 % en poids a été re- connue comme donnant de bons résultats. On notera que, avec les alliages présentant de hautes teneurs en magnésium, il est diffi- cile de conserver une teneur en bismuth plus élevée que 0,02 et, dans les alliages qui contiennent 5% ou plus de magnésium, une teneur de 0,02 % de bismuth peut être considérée comme une teneur maximum satisfaisante mais non restrictive, à atteindre.
Les teneurs en bismuth de 1 'ordre voulu peuvent être obtenues en ajoutant à l'alliage en fusion les quantités appropriée.