CA1082876A

CA1082876A - Procede de traitement d'alliages metalliques en vue de leur mise en forme a l'etat de melange phase liquide-phase solide, conservant la forme solide

Info

Publication number: CA1082876A
Application number: CA271,709A
Authority: CA
Inventors: Serge Bercovici
Original assignee: Societe de Vente de lAluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1976-02-19
Filing date: 1977-02-14
Publication date: 1980-08-05
Also published as: AU2203477A; GB1556887A; DE2706610C2; CH615950A5; FR2341664A2; FR2341664B2; AU505468B2; SE7701653L; DD132674A6; NO770484L; BE851612R; JPS52100318A; ZA77999B; DE2706610A1; ES455988A2; NL7701848A; NO145441C; IT1113755B; NO145441B

Abstract

L'invention concerne un procédé de filage d'alliages métalliques susceptibles de durcissement structural. Elle consiste à combiner un filage du métal à l'état de mélange phase liquide-phase solide à une trempe sur presse des profilés obtenus. La composition de l'alliage peut être ajustée, à partir d'une composition connue, de telle sorte que la composition des globules de phase solide soit identique à celle de l'alliage de référence. On obtient, dans ce cas, par simple trempe sur presse, des caractéristiques voisines de celles de profilés en alliage traité de façon classique par mise en solution, trempe et revenu. L'invention s'applique, en particulier, au filage d'alliages d'aluminium à durcissement structural, tels que l'A-U4G.

Description

1~8~8~6 L'invention concerne un procédé amélioré de filage d'alliages d'aluminium ~ durcissement structural destiné ~ leur conférer des caractéristiques mécaniques améliorées.
Le brevet fran~ais ,No 75-06953 publié sous le No 2 . 266.748 correspondant à la demande Canadienne No. 223.752 déposéele 3 Avril 1975, décrit et revendique un procédé ci-apr~s not~,procé~e A~ de traitement thermique des alliages d'alumine et son application au filage d'alliages d'aluminium à l'état de mélange liquide solide en vue de la fabrication de profilés.
Ce procédé A consiste à porter une masse d'alliage d'aluminium solide à une température comprise entre la tempé-rature du solidus d'équilibre et la température du liquidus d'équilibre de façon à ce que la proportion pondérale d'alliage liquide reste inférieure à 40%, et à l'y maintenir pendant 5 à
60 minutes de façon que la phase dendritique solide ait commencé
à évoluer vers une forme globulaire.
Une telle masse d'alliage ainsi traitée se pr~te parti-culièrement bien au filage, sur presse à filer, de pièces telles que barres, tubes et profilés ~ partir d'un troncon de billette appelé lopin.
Le dit brevet présente dans son exemple 2 la comparai-son des conditions de filage et des résultats obtenus dans le cas du filage d'une billette de 100 mm de diamètre d'un alliage A-U4SG de composition classique.
Un lopin de cette billette a été traité conformément au procéd~ A pendant 15 mn à 572C. de façon à faire appara~tre environ 4 % de phase liquide~ On l'a filé en une barre ronde de 20 mm de diamètre, donc avec un rapport de filage de 25, à
la vitesse de 3 mètres/minute. La pression moyenne sur le corps de presse était de 150 bars.
Le même essai, fait selon le procédé classique de filage à chaud sur une billette non traitée selon l'invention ,~ , . .
: ~ . :. .. .

a exigé une pression de 220 bars soit de 50 % ~up~rieure~
Leq caractéristiques obtenueq sur les barres filées sont les suivantes :

_ I ~ _ _,, Filaqe classique LE, hbar R, hbar A %

- Brut de filage 18,8 34,8 15,1 - Revenu 8 h à 175 C~18,6 31,4 14,9 - Etat T6 (Tremp~ revenu) 51,3 55,6 12,2 .
. ~ . , .
Filaqe selon l'invention LE, hbar R, hbar A % ~ .
- Brut de filage 572 C 22,1 37,3 14,3 - Revenu 8 h à 175C23,8 34,2 12,9 :
- Etat T6 (Trempé reveno) 49,8 53,8 10,8 ,~
On observe :
1/ une diminution de la pres~ion de filage qui permet d'augmenter la productivité des presses à filer existantes

2/ une amélioration de~ limites élastiques et des allongements pour 18s états - Brut de filage - Revenu 8 H. à 175 C. :
La demanderesse a découvert que, dans le cas d'alliages d'aluminium ~ durcissement structural, il était po~sible d'augmen-ter le niveau des caractéristiques mécaniques des profilés au moyen de perfectionnements apportés au traitement décrit dans le brevet sus-mentionné. Plus précisément, l'invention consiste en un procédé de filage d'alliage~ d'aluminium à durcissement structural, caractérisé en ce que l'on porte une billette ~

-filer ~ une température intermédiaire entre le solidus et le liquidus de l'alliage de fac~on à amener à l'état liquide une proportion pondérale bien définie dudit alliage inférieure à
40 % et, de préférence, à 35 %, en ce que l'on maintient la - 2 - ;.

. -- . . . - ~ .
- . .
. .
. , . . . ~ , .
.~

1~8~

billette à cette temp~rature pendant une durée comprise entre quelques minutes et quelqu~s heures, en ce que l'on introduit la billette dans le conteneur d'une presse ~ filer, que l'on file cette billette sous forme de profilé, enfin que l'on trempe ce profilé b la sortie de la filière et qu'on le durcit par traitement de revenu ou de maturation.
Selon une réalisation particulière de l'invention, avant d'introduire la billette dans le conteneur de la presse à filer, on la laisse refroidir a une température quelconque inférieure au solidus d'équilibre, puis on la réchauffe ensuite à une température intermédiaire entre le solidus et le liquidus d'équilibre, correspondant à une fraction pondérale de phase liquide inférieure ~ 40 %, et, de préférence, inférieure à 35 %.
La trempe sur presse qui consiste à refroidir énergi-quement les profilés à la sortie de la presse soit par de l'air plllsé, soit par une aspersion d'eau, de mélanges air-eau, de brouillard, n'est pas classiquement pratiquée sur des alliages durs a durcissement structural, car elle est, le plus souvent, inopérante. En effet, s'agissant d'alliages à durcissement structural, la trempe sur presse, pour apporter une amélioration des caractéristiques, doit maintenir en solution solide le maximum d'éléments susceptibles de précipiter au revenu. Or, les conditions de filage classique, à une température de 420C
par exemple, ne remettent pas suffisamment d'éléments en solution pour que la trempe sur presse produise une amélioration notable.
Aussi, le praticien du filage des alliages durs tels que le 2024 (A-U4G), le 2014 (A-U4SG), le 7075 (A Z5GU) sait très bien qu'il est inutile de faire une trempe de ces alliages à la sortie de la presse et qu'il faut, pour obtenir les caractéristiques maximales, faire une mise en solution des profilés, puis une trempe à l'eau suivie d'un revenu ou d'une maturation.
En outre, le traitement conforme ~ l'invention du brevet , .. . . .

1C~8~ 6 français 75-06953 a un autre résultat qui est la diminution de la vitesse critique de trempe de l'alliage et rend ainsi efficaces des trempes relativement douces à llair pulsé, par exemple. Ces moyens de trempe plus doux présentent un autre avantage non négli-geable qui est l'absence de déformation des profilés.
Il faut observer qu'il ne sexait nullement suffisant de faire ce simple réchauffage à 572 C par exemple, dans le cas de l'A-U4SG pour atteindre, par trempe sur presse suivi d'un ~ .
revenu, un résultat analogue.
On obtiendrait, dans ce cas, un profilé sans aucune cohésion, caractéristique d'un métal brûlé. Il est indispensable d'appliquer l'enseignement du dit brevet : maintien pour donner au produit sa structure globulaire particulière et utilisation d'une fili~re refroidie.
Un deuxième perfectionnement résulte d'une étude poussée des mécanismes métallurgiques intervenant pendant le traitement objet de l'invention. Il faut, pour cela se reporter à la planche qui représente, pour des raisons de simplification, un diagramme binaire, mais le m~me raisonnement est applicable ~ des alliages plus complexes.
Seule, la partie aluminium est représentée. On suppose que le composé intermétallique provoquant le durcissement structural forme avec l'aluminium un eutectique E. Soit un alliage de composition A que l'on chauffe progressivement à
partir de l'état solide. A la température Tl du point S', il commence à fondre. Si, conformément à l'invention du brevet prin-cipal, on porte alors l'alliage à la température T ~ Tl et qu'on l'y maintient, l'alliage évolue au cours du temps vers une situa-tion telle que la phase liquide atteigne la composition homogène L et la phase solide (les globules) la composition homogène S.
L'examen du diagramme montre alors que la composition de la phase solide globulaire est moins chargée en éléments d'addition ,~ . . .

lO~Z~76 que la composition moyenne de l'alliage.
La demanderesse a alors d~couvert que, si 1'on augmente la teneur de l'alliage en ~l~ment durcissant en lui donnant la compositlon correspondant au point A', de fac,on à ce que la phase solide globulaire s'approche de la composition S' de l'alliage A, que l'on pratique ensuite le traitement de maintien à Tl supérieur au solidus de l'alliage A' et que, finalement, l'on trempe sur presse, on obtient, par simple revenu ou maturation, des caracté-ristiqueC voisineC~ voire supérieures, à celles de l'alliage A, filé de façon classique, puis traité suivant le traitement complet classique de mise~en solution trempe et revenu ou matura-tion.
Naturellement, la composition A', c'est-~-dire la posi-tion précise de M' sur la droite horizontale de température Tl, est définie par le taux de phase liquide que 1'on souhaite et qui dépend, par exemple, de la puissance de la presse et du rapport de filage.
Le rapport pondéral phase liquide est égal, en effet, phase solide à M'S' .
M'L' On a donc remplacé le traitement classique sur les profil~s comportant :
a) une mise en solution ~ température relativement élevée (495C par exemple) b) une trempe de ces profilés, c~ un revenu ou maturation par un traitement beaucoup plus simple :
a) une trempe des profil~s à la sortie de la présqe facile à mettre en oeuvre, b) un revenu ou maturation tout en obtenant le m8me niveau de caractéristiques, et sans avoir les inconvénients du premier traitement.
Ces inconvénients sont de deux ordres :

l~)l3ZX~6 a) fours de mise en solution encombrants puisqu'il s'agit de profil~s longs b) déformation importante à la trempe, nécess~tant un dressage ult~rieur des profilés. La trempe sur presse, au contraire, pouvant selon l'invention atre plus douce, n'entra~ne pas de d~formation des profilés.
Il faut observer, dans ce cas, que la seule combinaison d'une te~eur en élément durcissant accrue et d'une trempe sur pres-se ne donnerait mullement le même résultat puisque la trempe à1'eau est inopérante, comme il a été dit plus haut, sur les alliages non traités selon l'invention du brevet fran~ais N 75-06953.
Bien entendu, il n'est pas obligatoire, comme cela a été indiqué dans ce brevet, de procéder au filage immédiatement apres le maintien à la température comprise entre solidus et liquidus. ~n peut très bien laisser refroidir la ~illette apr~s ce traitement à une température inférieure au solidus voire à
l'ambiante. Il suffit, alors, avant le filage, d'un simple réchauffage et non d'un maintien a une température intermédiaire entre solidus et liquidus.
Les exemples qui suivent ont pour but de faire mieux comprendre l'invention sans en xestreindre la portée.
EXEMPLE I
Une billette d'A-U4SG de 100 n~ de diametre, de composi-tion :
- Fe = 0,42 %
- Si = 0,91 %
- Cu = 4,24 %
- Mn = 0,82 %
- Mg = 0,51 %

- le reste = aluminium ,.,, . ,.... ".. , . - , ~ . .
'''~ .' ' ~ ' ' ' ' ~(~8'~376 a ét~ portée à 605c et maintenue pendant 15 mn ~ cette tempéra-ture.
A l'équilibre, la teneur en phase liquide ~ cette tempé-rature e~t de 13 % environ.
Un lopin de cette billetta a été introduit dans le conteneur préchauffé ~ 420 -450 C d'une presse à filer de 800 T.
et filé immédiatement sous forme d'un profilé à section rectan-gulaire de 40 mm x 3 mm. Le refroidissement par eau de la filière était ajusté de façon que le profilé sorte à une température de 450C environ. D~s sa sortie de la presse, le profilé était trempé ~l'air froid, à l'aide d'une batterie de ventilateurs dirigeant leur flux vers le profilé. Les caractéristiques mécaniques ont ensuite été mesurées sur des échantillons ou bruts de filage, ou revenus, 8 H à 175C ou homogénéisés 2 H
505 C trempés à l'eau et revenus 8 H à 175 C (état T6).
Le tableau ci-de~sous indique les résultats obtenus en comparaison avec la billette nontrempée à l'air, mais ayant subiele traitement du proc~dé A:

I T
BILLETTE NON TREMPEEI BILLETTE TREMPEE
ETATLE(hbar~¦R(hbar)l A% ~LE(hbar)¦R(hbar)! A% ;
, ~
Brut de filage24,8 34,9 l23,5 l 21,6 ¦ 38,7 ¦ 24,8 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ ~,:
Reveou 8 H- ~
175 33,3 37,7 12,9 37 42,~ 12,4 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ 2 H ~ 505 ~ 4~,0 R = charge de rupture (en hbar) LE = limite élastique (en hbar) A = allongement ~ la rupture (en %) 108ZI~;
On notera l'am~lioration notable des caractéristiques sur la billette trempée après un simple revenu ~ 175C.
_XEMPLE II
A partir de la composition moyenne d'un autre alliage, l'A-U4G, dont les teneurs moyennes en cuivre et en magné3ium sont respectivement de 4,25 % et de 0,65 % on a détenminé la composition moyenne que devrait avoir un alliage qui, porté à
une température telle qu'il contienne environ 3 % de phase liquide, aurait une composition moyenne de la phase solide égale à celle de l'A-U4SG : 4,25 % de cuivre et 0,65 % de magnésium.
Pour faire cette détermination, on peut utiliser les diagrammes d'équilibre, mais les diagrammes ternaires étant moins bien connus que les binaires, il convient de compléter les informations fournies par ces diagrammes, par des expériences de fusion partielle à teneurs échelonnées et d'analyse de la phase solide à la microsonde.
On a trouvé qu'un A-U4G, à teneur en cuivre - 5,10 %
et en Mg = 0,80 %, aurait à 555C, 3 % environ de phase liquide, la phase ~olide ayant la composition approximative de l'alliage A-U4G nonmal.
Une billette de diamètre 100mm, de teneur visée corres-pondante, a été coulée, contenant, par ailleurs, les éléments d'addition secondaires de l'alliage.
La composition finale obtenue a été :
- Fe = 0,42 %
- Si = 0,38 %
- Cu - 5,20 %
- Mg = 0,90 %
- Mn - 0,60 %
- Ti = 0,025 %
- Zr - 0,14 %
On note que les teneurs obtenues ont été légèrement ~L08~37t6 supérieures aux teneurs visées.
Cette billette a ét~, ensuite, tronçonnée en quatre lopin~ de 300 mm de long, qui ont subi chacun un traitement différent.
Le lopin N 1 a été, sous forme de corni~re de 25 mm x 25 mm x 3 ~m, filé normalement ~ 420oc, donc selon l'art antéri-eur. Le profilé a ét~ refroidl ~ l'air calme à la sortie de la presse, avec traitement de maturation consécutif.
Le lopin N 2 a ét~ filé, selon le procèdè A, à une température de 555 C, après avoir été maintenu 30 minutes à
cette température. Le profilé a été refroidi à l'air calme à
la sortie de la presse et a subi une maturation.
Le lopin ~ 3 a ét~ traité, selon la présente inven-tion, c'est-~-dire qu'il a été maintenu 30 minutes ~ 555C, puis filé à cette température. Le profilé obtenu a été trempé à l'air pulsé avec une vitesse de trempe de l'ordre de 600C à 8~0C/
minute, et a subi, enfin, une maturation de 16 jours.
Le lopin N 4 a été trait~ et filé dans les mêmes conditions que le ~ 3, à l'exception de la trempe qui a été faite aux jets d'eau, suivie également d'une maturation de 16 jours.
Les caractéristiques mécaniques ont ensuite été mesurées sur les profilés obtenus. Ces caractéristiques figurent dans le tableau suivant, de même que les caractéristiques moyennes relevées sur des profilés d'A-U4G de composition normale ayant subi le traitement habituel de mise en solution - trempe - matura-tion.

:
:, . .. : . : . .. .. .

~08~8'~6 ~ ~ ~ I~
~ ~e ~ d :) ~ u) U) r-l~1 -1 ~I ~1 ~tn _ H ~ ~ a~_ CO I~
V~ Htl:; ~ ~ O u~ ~ ~
H ~ .~ ~)d' d' d' d' E~ ~' C~
~ ~ ~ ~ ~ 0 U ~ ~ 0 ~ ~1 1 O t~l _ _ : = _ H
' ~ O O O O C
i~ i~ n n n r~ O
~ ~~S) ~ D ~ -E~ ~,~ _~ ,~
~U) ~ ~ ~ ~ 0 O O O O ~ O
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H l¢ ,a O ~
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1 a) h ~3 1~ 0 0 ~ ~ ~ ~ ~ U~ O 0 00 1~ .,~ O ~ C~ ,~ O O ~d' OD ~r H H '~ ' ~U
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- -- - - ,.
o 3 ,, _ ~ ~

..
. .
, .

:108~76 L'examen de ce tableau démontre clairement l'intér~t de la combinaison : modification de la composition - traitement de réchauffage au-dessus du solidus - trempe sur presse (à
l'air ou ~ l'eau~ , elle permet d'obtenir des caractéristiques aussi bonnes, sinon meilleures, que celles que l'on obtient sur un A-U4G de composition normale, filé normalement puls mis en solution, trempé et mûri. On économise donc le traitement de mise en solution.

.

~:

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit :

1. Procédé de filage d'alliages d'aluminium à durcis-sement structural, caractérisé en ce que lion porte une billette à filer, à une température intermédiaire entre le solidus et le liquidus de l'alliage de façon à amener à l'état liquide une proportion pondérale bien définie dudit alliage inférieure à 40 %
en ce que l'on maintient la billette à cette température pendant une durée comprise entre quelques minutes et quelques heures, en ce que l'on introduit la billette dans le conteneur d'une presse à filer, que l'on file cette billette sous forme de profilé, enfin que l'on trempe ce profilé à la sortie de la filière et qu'on le durcit par traitement de revenu ou de maturation.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant d'introduire la billette dans le conteneur de la presse à filer, on la laisse refroidir à une température quelconque inférieure au solidus d'équilibre, en ce qu'on la réchauffe ensuite à une température intermédiaire entre le solidus et le liquidus d'équilibre, correspondant à une fraction pondérale de phase liquide inférieure à 40 %.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la proportion pondérale d'alliage amené
à l'état liquide est inférieure à 35 %.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température à laquelle on réchauffe la billette correspond à une fraction pondérale de phase liquide inférieure à 35 %

5. Procédé d'obtention de produits filés, de caractéristiques mécaniques comparables à celles de profiles en alliage de référence traité thermiquement par mise en solution trempe et revenu ou maturation, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on adapte la composition dudit alliage de telle façon que la phase solide globulaire obtenue au cours du traitement à une température intermédiaire entre solidus et liquidus ait la même teneur moyenne en éléments durcissants que l'alliage de référence.