1047~23 La présente invention concerne un procédé qui, appliqué à des alliages métalliques et en particulier à des al-liages légers à base d'aluminium leur donne un ensemble de pro-priétés particulières permettant de les mettre en forme dans un état constitué par un mélange de phases solides et de phase liquide se comportant transitoirement comme un liquide à faible viscosité. L'invention concerne également les produits résul-tant de la mise en oeuvre du procédé et leur application aux procédés de mise en forme à l'état liquide.
La demanderesse a découvert que, de façon tout-à-fait inattendue, si l'on chauffe un alliage métallique pris à l'état solide, à une température comprise entre la température de soli-dus et de liquidus d'équilibre, et choisie de façon telle que la proportion de phase liquide soit au moins égale ~ 35% environ et, si on le maintient à cette température pendant une durée comprise entre quelques minutes et plusieurs heures, ledit alliage est succeptible de se comporter comme un véritable liquide à
faible viscosité.
Cette faible viscosité, qui a pour conséquence un écou-lement facile, se manifeste principalement lorsqu'on appliqueune contrainte extérieure, par exemple dans le dispositif d'in-jection d'une machine de coulée sous pression. Il y a là un comportement assez analogue à celui des substances dites thixo-tropes, que l'on peut mettre à profit dans la plupart des procé-dés mise en forme à l'état liquide.
Une substance est dite thixotrope lorsque sa viscosité
n'est pas constante, mais dépend des mouvements qui lui sont imposés. Il en est ainsi par exemple des argiles du type bento- ~-nite ou du phénomène dit des "sables mouvants".
On a déjà tenté d'utiliser le comportement thixo-tropique de certains alliages métalliques. Le brevet francais ' ~0472Z3 No. 2,141,979 déposé le 15 juin 1972 par le Massachusetts Institue of Technology revendique "un procédé de préparation d'un mélange solide-liquide pour des procédés de coulée d'une compo-sition métallique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à
élever la température de la composition métallique jusqu'à ce qu'elle soit à l'état liquide et à refroidir pour provoquer une certaine solidification du liquide et à agiter énergiquement le mélange liquide-solide jusqu'à ce que environ 65% en poids du mélange ainsi formé soient sous forme liquide et comprennent des dentrites ou nodules dégénérées individuels". Ce mélange liqui-de/solide possède, ainsi qu'il est indiqué dans le brevet cite, des propriétés de thixotropie; si l'on cesse l'agitation tout en maintenant la température constante, le bain métallique a une consistance voisine de celle d'un solide mais sous l'effet d'un effort ~'agitation suffisant,il retrouve une viscosité plus voisine de celle d'un liquide.
Si on refroidit le mélange liquide-solide depuis une température T en,achevant de le solidifier par coulée suivant un procédé quelconque, le produit du fait de la structure parti-culière de la phase primaire solidifiée sous forme de globules,redevient thixotrope dès qu'il est de nouveau porté à cette tem-pérature T. Le procédé décrit dans le brevet n'est pas d'utili-sation industrielle très aisée, en effet, le creuset dans lequel le produit est préparé doit tourner autour de son axe et le bain métallique doit être agité à l'aide de deux palettes tournant en sens inverse. Il est clair que la réalisation pratique de ces matériels pose des problèmes ardus pour le traitement de quantités importantes d'alliages à haut point de fusion et agressifs vis-à-vis des matériaux courants de construction mécanique.
Des tentatives ont été faites par les auteurs du brevet précité pour obtenir cet état thixotrope, en particulier, sur des billettes d'alliages A 380 alliage d'aluminium à 8,5% de silicium 1047 ~ 23 The present invention relates to a method which, applied to metal alloys and in particular to alloys light aluminum bonding gives them a set of pro-special properties allowing them to be shaped in a state consisting of a mixture of solid phases and phase liquid transiently behaving like a liquid with low viscosity. The invention also relates to the products both of the implementation of the process and their application to liquid formatting processes.
The Applicant has discovered that, quite completely unexpected, if a metallic alloy taken in the state is heated solid, at a temperature between the temperature of soli-balance and liquidus, and chosen in such a way that the proportion of liquid phase is at least about ~ 35%
and, if it is kept at this temperature for a period between a few minutes and several hours, said alloy is likely to behave like a real liquid to low viscosity.
This low viscosity, which results in Lely easy, manifests itself mainly when an external stress is applied, for example in the jection of a die casting machine. There is a behavior quite analogous to that of so-called thixo- substances tropes, which can be used in most processes dice shaped in the liquid state.
A substance is said to be thixotropic when its viscosity is not constant, but depends on the movements which are imposed. This is the case, for example, with clays of the bento- ~ - type.
nite or the so-called "quicksand" phenomenon.
We have already tried to use the thixo- behavior tropic of certain metallic alloys. The French patent '' ~ 0472Z3 No. 2,141,979 filed on June 15, 1972 by Massachusetts Institute of Technology claims "a process for preparing a solid-liquid mixture for methods of casting a compound metallic sition, process characterized in that it consists of raise the temperature of the metallic composition until be in a liquid state and cool to cause some solidification of the liquid and vigorously shaking the liquid-solid mixture until about 65% by weight of the mixture thus formed are in liquid form and include of individual degenerated nodules or nodules ". This liquid mixture of / solid possesses, as indicated in the patent cited, thixotropy properties; if we stop the agitation all keeping the temperature constant, the metal bath has a consistency close to that of a solid but under the effect of a effort ~ 'sufficient agitation, it regains more viscosity close to that of a liquid.
If the liquid-solid mixture is cooled from a temperature T in, completing to solidify it by next casting any process, the product due to the particular structure of the primary phase solidified in the form of globules, becomes thixotropic once it is brought to this temperature again temperature T. The process described in the patent is not of use very easy industrial station, in fact, the crucible in which the product is prepared must rotate around its axis and the bath metal should be stirred using two paddles rotating in reverse. It is clear that the practical realization of these materials poses difficult problems for the treatment of quantities high alloys with high melting point and aggressive towards screws of common mechanical engineering materials.
Attempts have been made by the authors of the patent above to obtain this thixotropic state, in particular, on A 380 alloy billets 8.5% silicon aluminum alloy
-2-lO~Z23 et 3,5% de cuivre, par des moyens plus simples, tel qu'un réchauffage jusqu'à une température qui devrait correspondre à
40% de phase solide (environ 1030F soit environ555C) mais sans succès (Die Casting Engineer, vol. 17, n 4, 1973, page 51).
L'objet de l'invention, qui évite les inconvénients de l'art antérieur, et en élargit considérablement le domaine d'application est donc un procédé permettant d'obtenir un alliage métallique à l'état de mélange de phases solides et de phase liquide dans une proportion telle que ledit alliage puisse passer transitoirement ~ l'état liquide lorsqu'on exerce sur lui une contrainte extérieure, au moment de sa mise en forme dans un moule, et retrouve instantanément l'état solide aussitôt que la contrainte cesse. Ce procédé consiste à porter ledit alliage une température comprise entre solidus et liquidus d'équilibre, choisie de façon que la proportion pondérale de phase liquide soit au moins égale à 40% et de préférence au moins égale à 60%, et le maintenir à ladite température pendant une durée comprise entre quelques minutes et quelques heures et de préférence entre 5 et 60 mn, de façon que la structure dendritique primaire ait au moins commencé à évoluer vers une forme globulaire.
Les dimensions de ces globules dépendent de la finesse de la structure dendritique initiale, mais sont généralement comprises entre 100 et 400 micromètres environ.
Les limites du rapport phase liquide-phase sollde correspondant à la mise en oeuvre de l'invention varient quelque peu selon le type d'alliage considéré. Elles sont également fonction des exigences de manutention des produits traités. Un alliage à base d'aluminium, traité selon l'invention et contenant 40 à 50% de phase liquide présente l'aspect extérieur d'un solide.
Il peut être manipulé avec un minimum de précautions. Un choc violent, une chute peuvent entraîner son affaissement. Vers 80%
de phase liquide, l'état du produit est plutôt pâteux et il se lQ4~7~
prête moins bien aux manipulations, mais rien ne s'oppose cependant à ce qu'on l'introduise, sous cette forme pâteuse, dans le conteneur d'une machine de moulage.
Si, par ailleurs, à la suite d'une erreur de tempé-rature, on constate que le rapport phase liquide-phase solide n'est pas celui que l'on désirait rien ne s'oppose à ce que l'on modifie ce rapport par réchauffage ou refroidissement du produit, et maintient, à la nouvelle température, pendant une durée suf-fisante, conformément à l'invention.
De même, la demanderesse a constaté que si l'on refroi-dit un alliage traité selon l'invention, à une température quel-conque, inférieure au solidus d'équilibre, et qu'on le réchauffe ultérieurement à une température comprise entre le solidus et le liquidus d'équilibre, correspondant à une proportion pondérale de phase liquide supérieure à 35%, ledit alliage retrouve instan-tanément ses propriétés thixotropiques, ce qui prouve qu'il y a eu une modification permanente de sa structure et apparition d'une structure nouvelle.
Des produits en alliages métalliques, et en particu-lier en alliages légers à base d'aluminium, préparés selon l'in-vention, à partir de lopins cylindriques coulés en sable, en coquille ou en coulée continue ou semi-continue peuvent servir à alimenter une machine de coulée sous pression.
Introduits dans le conteneur de la machine, ils se comportent, lorsque le piston commence à exercer sur eux sa pression, comme un liquide: le mélange solide-liquide peut alors remplir tous les détails d'un moule sans que la force exercée par le piston soit substantiellement supérieure à celle que l'on observerait en injectant le même alllage porté à une température supérieure à celle du liquidus, donc entièrement à l'état liquide.
Ces produits sont également applicables à tous procédés de mise en forme par coulée dans lesquels on fait apparaître 1047~23 transitoirement, l'état à faible viscosit~, analogue à l'état liquide, par exemple, au moyen de vibrations mécaniques.
Cette nouvelle méthode présente, par rapport au mou-lage sous pression classique, un certain nombre d'avantages:
- une moindre usure des moules coulés sous pression dûe au fait que, la température du métal injecté étant plus faible, la ren-dance au collage diminue, l'amplitude des échanges calorifiques diminue elle aussi, donc les chocs thermiques dans le moule.
- une augmentation des cadences dûes à la diminution des calories à évacuer, une partie du métal étant déjà solidifiée au moment où il est injecté dans l'empreinte.
- une meilleure santé des pièces au point de vue compacité et absence de porosités.
Les figures et exemples qui suivent permettront de mieux comprendre la mise en oeuvre de l'invention.
La figure 1 représente au grossissement 50, un alliage AS9U3 (base aluminium, Silicium: 9%, Cuivre: 3%) coulé en lingo-tière de façon classique. Le réseau dendritique est nettement visible.
La figure 2 représente le même alliage maintenu 1 heure à 580C, selon l'invention, ce qui correspond à une concen-tration pondérale de phase liquide d'environ 70%. On voit que le réseau de dendrites d'aluminium a pratiquement disparu et a été remplacé par des globules de forme et de répartition régu-lière.
La structure de la figure II peut être comparé à celle d'un sable humide mis en forme qui, bien qu'il contienne un pour-centage important de phase liquide, garde cependant une consis-tance suffisante pour conserver la forme qu'on lui a donnée et pour être manipulé avec précaution.
Les exemples ci-après sont donnés à titre purement illustratif et n'ont aucun caractère limitatif vis-à-vis de 10472~3 l'étendue de l'invention.
Exemple 1 On a coulé en continu suivant la technique usuelle de llAS9U3 alliage à base d'Al, de composition Si = 9,2%, cuivre ~ 3,1%, Fer = 0,8%, sous forme d'une billette ronde de 63 mm de diamètre. Cette billette a été découpée en lopins de 100 mm de longueur écroûtés ensuite à 55 mm de diamètre.
Sur une machine à couler sous pression horizontale à
chambre froide de 400 tonnes de force de fermeture, on a monté
un moule destiné à fabriquer des petites pièces en forme de chapeaux de 80 mm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur.
On a préchauffé un premier lopin dlA-S9U3 à une tem-pérature de 580C. A cette température 70% environ de l'alliage est à l'état liquide. Ce lopin est introduit immédiatement dans le conteneur de la machine à couler sous pression et l'on procéde à l'injection. On constate dans ces conditions que l'on obtient une pibce partiellement alimentée et dont l'état de surface est mauvais. En outre, la pression exercée par le piston est supé-rieure à celle observée avec du métal ne présente donc pas de propriétés de thixotropie. Au contraire, un autre lopin d'A-S9U3 maintenu à la même température de 580C pendant deux heures, introduit dans le conteneur de la machine et injecté
dans le moule à l'aide du piston se comporte tout-à-fait comme un liquide: on observe, pendant toute la durée de l'injection, une pression tout-à-fait comparable à celle observé avec du métal liquide. La pièce obtenue par le procédé est alors parfaitement venue et de bel aspect de surface.
Exemple 2 On a coulé en continu une billette ronde de 63 mm de diamètre en A-U4SG de composition suivante: Fer = 0,2%, cuivre = 4,3%, Silicium = 0,75%, Magnésium = 0,50%, MancJanèse = 0,60. Cette billette a été découpée en lopins de ~ -6-~0~7~23 100 mm de longueur qui ont été également usinés au diamètre 55 mm.
Sur une machine de coulée sous pression horizontale à chambre froide de 400 tonnes de force de fermeture, le même moule que celui décrit dans l'exemple précédent a été monté.
Un lopin découpé dans la billette ronde de 63 mm de diamètre a ~té préchauffé à une température de 630C et maintenu pendant une heure à cette température à laquelle correspond une fraction liquide de 45% environ.
Ce lopin a ensuite été introduit immédiatement dans le con ~
~neur de la machine de coulée SOU5 pression et injecté a }'aide du piston. ~e métal æe comporte pendant l'inject~on tout-~-fait comme un liquide: la pression d~ piston est comparable ~ celle observée pendant l'in~ection du a8me alliage liquide. ~a pièce obtenue est parfaitement venue et a un aspect de surface e~cellent.
mple~
~ e m~me lopin que dans l'exemple 2 a été préchauffé 1 heu-re à 630C de façon ~ faire appara~tre environ 45% de phase liquide, pui~ refroidi jusqu'à la température ambiante, puis réchauffé ~
630C et introduit sanæ délai danæ le conteneur de la m~me machi~e de coulée 80U~ pression et i~iecté dans le moule.
~ a pression nécessaire a ét~ la m~me que pour l'injection du m~me alliage ~ l'état liquide~ et la pi~ce obtenue a ~té sans dé-~aut et d'un aspect de surface egcellent. -2-lO ~ Z23 and 3.5% copper, by simpler means, such as reheating to a temperature which should correspond to 40% solid phase (approximately 1030F or approximately 555C) but without success (Die Casting Engineer, vol. 17, n 4, 1973, page 51).
The object of the invention, which avoids the disadvantages of the prior art, and considerably widens the field thereof is therefore a process for obtaining an alloy metallic as a mixture of solid phases and phase liquid in such a proportion that said alloy can pass transiently ~ the liquid state when a external stress, at the time of its shaping in a mold, and instantly regains the solid state as soon as the constraint ceases. This process consists in wearing said alloy a temperature between equilibrium solidus and liquidus, chosen so that the proportion by weight of liquid phase either at least equal to 40% and preferably at least equal to 60%, and maintain it at said temperature for a period of time between a few minutes and a few hours and preferably between 5 and 60 min, so that the primary dendritic structure has at least started to evolve into a globular form.
The dimensions of these globules depend on the fineness of the initial dendritic structure, but are generally between approximately 100 and 400 micrometers.
The limits of the liquid phase-stressed phase ratio corresponding to the implementation of the invention vary some little according to the type of alloy considered. They are also according to the handling requirements of the products treated. A
aluminum-based alloy, treated according to the invention and containing 40 to 50% of liquid phase has the external appearance of a solid.
It can be handled with a minimum of precautions. A shock a violent fall can cause it to sag. Around 80%
liquid phase, the state of the product is rather pasty and lQ4 ~ 7 ~
lends itself less well to handling, but nothing stands in the way however when introduced, in this pasty form, in the container of a molding machine.
If, moreover, following a temperature error erasure, we see that the liquid phase-solid phase ratio is not the one we wanted nothing is opposed to what we modifies this ratio by heating or cooling the product, and maintains, at the new temperature, for a sufficient time fisante, in accordance with the invention.
Likewise, the Applicant has found that if one cools says an alloy treated according to the invention, at a temperature conch, inferior to the equilibrium solidus, and that it is reheated subsequently at a temperature between the solidus and the equilibrium liquidus, corresponding to a weight proportion of liquid phase greater than 35%, said alloy recovers instan-temporarily its thixotropic properties, which proves that there are had a permanent change in its structure and appearance of a new structure.
Products made of metal alloys, and in particular bind in light aluminum alloys, prepared according to the vention, from cylindrical plots cast in sand, in shell or continuous or semi-continuous casting can be used to supply a die casting machine.
Introduced into the machine container, they include, when the piston begins to exert on them its pressure, like a liquid: the solid-liquid mixture can then fill in all the details of a mold without the force exerted by the piston is substantially greater than that which one would observe by injecting the same alllage brought to a temperature greater than that of the liquidus, therefore entirely in the liquid state.
These products are also applicable to all processes of shaping by casting in which one makes appear 1047 ~ 23 transiently, the low viscosity state ~, analogous to the state liquid, for example, by means of mechanical vibrations.
This new method presents, compared to the mo-conventional pressure lage, a number of advantages:
- less wear of the molds under pressure due to the fact that, the temperature of the injected metal being lower, the bonding dance decreases, the amplitude of heat exchanges it also decreases, therefore the thermal shocks in the mold.
- an increase in rates due to the decrease in calories to be removed, part of the metal already being solidified at the time where it is injected into the imprint.
- better health of the parts in terms of compactness and absence of porosities.
The following figures and examples will help better understand the implementation of the invention.
Figure 1 shows at 50 magnification, an alloy AS9U3 (aluminum base, Silicon: 9%, Copper: 3%) cast in lingo-classically. The dendritic network is clearly visible.
Figure 2 shows the same alloy maintained 1 hour at 580C, according to the invention, which corresponds to a concentration weight ratio of the liquid phase of approximately 70%. We see that the network of aluminum dendrites has practically disappeared and has replaced by globules of regular shape and distribution lière.
The structure of Figure II can be compared to that shaped wet sand which, although it contains significant concentration of liquid phase, however, keeps a consistency sufficient to maintain the form it was given and to be handled with care.
The examples below are given purely illustrative and are not limiting in relation to 10472 ~ 3 the scope of the invention.
Example 1 We poured continuously according to the usual technique of llAS9U3 alloy based on Al, of composition Si = 9.2%, copper ~ 3.1%, iron = 0.8%, in the form of a round billet of 63 mm in diameter. This billet was cut into pieces of 100 mm long peeled then 55 mm in diameter.
On a horizontal die casting machine at cold room of 400 tons of closing force, we mounted a mold for making small pieces in the shape of hats 80 mm in diameter and 2 mm thick.
We preheated a first piece of dlA-S9U3 to a time temperature of 580C. At this temperature around 70% of the alloy is in a liquid state. This piece is immediately introduced into the container of the die casting machine and we proceed at the injection. It is found under these conditions that we obtain a part which is partially supplied and whose surface condition is bad. In addition, the pressure exerted by the piston is higher.
lower than that observed with metal therefore does not present any thixotropy properties. On the contrary, another piece of A-S9U3 maintained at the same temperature of 580C for two hours, introduced into the machine container and injected in the mold using the piston behaves quite like a liquid: we observe, throughout the duration of the injection, a pressure quite comparable to that observed with metal liquid. The part obtained by the process is then perfectly coming and beautiful surface appearance.
Example 2 We continuously poured a 63 mm round billet diameter in A-U4SG of the following composition: Iron = 0.2%, copper = 4.3%, silicon = 0.75%, magnesium = 0.50%, MancJanèse = 0.60. This billet was cut into pieces of ~ -6-~ 0 ~ 7 ~ 23 100 mm in length which has also been machined to diameter 55 mm.
On a horizontal die casting machine with a cold room of 400 tonnes of closing force, the same mold as that described in the previous example has been mounted.
A piece cut from the 63 mm round billet diameter has been preheated to a temperature of 630C and maintained for one hour at this temperature to which a liquid fraction of about 45%.
This piece was then immediately introduced into the con ~
~ neur of the SOU5 pressure and injected casting machine using the piston. ~ e metal æe behaves during the injection ~ on all- ~ -like a liquid: the piston pressure is comparable to that observed during in ~ ection of the liquid alloy a8me. ~ the part obtained is perfectly come and has a surface appearance e ~ cellent.
mple ~
~ em ~ me piece that in Example 2 was preheated 1 hour-re at 630C so as to make ~ appear ~ 45% of liquid phase, then ~ cooled to room temperature, then warmed ~
630C and introduced without delay into the container of the same machine 80U ~ pressure casting and i ~ iecté in the mold.
~ at the necessary pressure was ~ the same as for injection of the m ~ me alloy ~ the liquid state ~ and the pi ~ this obtained has ~ been without dice ~ aut and an egcellent surface appearance.