CA2048161A1 - Procede d'obtention par moulage de pieces bimateriaux - Google Patents
Procede d'obtention par moulage de pieces bimateriauxInfo
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Abstract
L'invention est relative à un procédé d'obtention par moulage de pièces bimatériaux formées par deux alliages d'aluminium dont l'un constitue l'âme et l'autre la matrice. Ce procédé consiste à mettre en oeuvre une âme, contenant éventuellement un squelette réfractaire, à enlever la couche naturelle d'alumine présente à la surface de l'âme, à revêtir immédiatement après l'ensemble ainsi obtenu d'un film imperméable aux gaz d'un métal tel que le nickel, à placer l'ensemble revêtu dans un moule que l'on remplit avec l'alliage de la matrice à l'état fondu à une température telle qu'au moins 30% de l'âme soit refondue superficiellement. Elle trouve son application dans la confection de pièces automobiles telles que les culasses de moteurs et l'insertion de conduits dans les pièces aéronautiques.
Description
2 ~
PROCEDE D'OBTENTION PAR MOULAGE
DE PIECES BIMATERIAUX
La présente invention est relative à un procédé d'obtention par moulage de pièces bimateriaux .
Elle concerne plus particulièrement les pièces formées d'une âme en alliage d'aluminium inserée dans une matrice en un autre alliage d'aluminium.
Cette structure particulière est utilisée, par exemple, pour la confection de pièces automobiles telles gue les culasses de moteurs dans le but de modifier localement leurs propriétés et l'insertion de conduits dans les pièces aéronautiques faites par moulage.
En effet, il est connu que de telles pièces sont soumises localement lors de leur utili.sation à des contraintes particulières , notamment thermiques, et que pour éviter cer-taines repercussions fâcheuses sur leur comportement, on recourt généralement à l'implantation dans les dites pièces d'inserts ayant des propriétés qui répondent mieux à ces contraintes que le matériau de base.
Toutefois, on a cons-taté que la réalisation de ces pièces bimatériaux posait des problèmes, notamment en ce qui concerne la liaison entre l'insert et la matrice.
En effet, d'une part, l'adhérence entre les constituants des pièces n'est pas toujours convenable et il en résulte alors des propriétés mécaniques ou physiques ( comme la conductivité thermique, par exemple ) insuffisantes d'autre part, le moulage s'effectuan-t avec un métal à l'état fondu par remplissage d'un moule dans lequel a é-té place 2 2 ~
l'insert, s~ le métal formant l'insert a une température de fusion inférieure ou voisine de celle du métal de moulage, il se produit une dé-formation de l'insert préjudiciable à la locàlisation correcte de ce dernier.
C'es-t pourquoi, la demanderesse, conscierlte de l'intérêt présenté par les pièce~ bimatériaux et des problèmes que pose leur réalisation , a cherché et trouvé une solution qui constitue la matière de la présente invention.
Cette dernière consiste en un procédé d'obtention par moulage de pièces bimatériaux formées d'une âme en un alliage d'aluminium insérée dans une matrice en un autre alliage d'aluminium~ caractérisé en ce que l'on enlève la couche naturelle d'alumine présente en surface de l'âme, puis, on la revêt immédiatement après d'un film imperméable aux gaz d'un métal ayant une énergie libre de formation d'oxyde supérieure à -500 kJ/mole d'oxygène entre l'ambiante et 1000 K, ayant une température de fusion supérieure à
celles de l'âme et de la matrice, étant soluble dans l'aluminium liquide et formant avec l'aluminium un eutectique, on place l'âme revêtue dans un moule que l'on remplit avec l'alliage de la matrice à l'état fondu à une température telle qu'au moins 30% de l'âme soit refondue superficiellement.
Ainsi, la première caractéristique de l'invention consiste à
enlever la couche naturelle d'alumine inévitablement présente à la surface de l'alliage formant l'âme. Ceci peut être obtenu par décapage acide ou basique. Cette opération permet de lever l'obstacle principal à l'établissement d'un lien métallurgique entre les composants de la pièce et doit être réalisée immédiatement avant de procéder à la suivante afin d'éviter la formation d'une nouvelle couche d'alumine.
La deuxième caractérlstique de l'invention est le revê-tement 0~
de l'âme par un film imperméable aux gaz afin d'eviter son oxydation dans le temps.
Ce film est en un métal ayant une énergie libre de forma-tion de l'oxyde supérieure à -500 kJ/mole d'oxygène entre l'ambiante et 1000 K de manière a être suffisamment résistant à l'oxydation.
Ce metal doit être soluble dans l'aluminium afin de permettre l'établissement de la continuite métallurgique en-tre l'~me et la matrice au moment de la coulée. Il doit avoir egalement une température de fusion supérieure celles de l'âme et de la matrice de facon à assurer jusqu'au moment de sa dissolution une fonction de protection de l'insert contre l'oxydation.
Ce film a pour fonction de substituer à la couche d'alumine tou~ours présente à la surface de l'insert, et qui constitue un obstacle à l'é-tablissement d'une liaison avec la matrice, une couche métallique ayant de meilleures affinités avec les alliages d'aluminium liquides.
La troisième caractéristique de l'invention consiste à
placer l'âme revetue dans un moule et à le remplir avec l'alliage de la matrice à l'etat fondu a une température telle que le bilan thermique de l'opération de coulée conduise à une refusion superficielle de l'âme d'au moins 30%.
La combinaison de ces caractéristigues aboutit finalement à
la continuité mé-tallurgique recherchée et perme-t d'atteindre des taux de liaison compris entre 90 et 100%.
Toutefois, dans ces conditions, si le métal formant l'lnsert a une température inférieure ou voisine de celle du métal de moulage, on ne peut empêcher la déformation dudi-t insert préjudiciable à sa localisation correcte. C'est pourquoi, dans ce cas, l'invention consis~e également ~ utiliser une âme contenant une dispersion de produits r~fractaires.
Ces produits refrac-taires ont pour fonc-tion d~ former une espèce de squelette qui préserve l'intégrité de la f~rme de l'insert pendant la coulée de la ma-trice. En effet, bien que le dit insert soit r~fondu partiellement, le squelette étant constitué d'un matériau réractaire, c'est a dire infusible dans les conditions de la coulée, permettra ~
l'insert de garder sa forme initiale~ En outre, on peut tirer avantage de l'amélioration des propriétés mécaniques et de la stabilité dimensionnelle procurées par la présence du squelette dans l'alliage d'aluminium, avantages abondamment décrits dans la littérature.
Ce squelette peut être constitué par tout matériau céramique réf~actaire, qu'il soit sous forme de fibres ou de particules, habituellemen-t utilisé avec les alliages d'aluminium et de préférence l'alumine. Il a de préférence une géométrie analogue à celle de l'insert de manière à
réaliser une préforme.
Il représente en volume une proportion comprise entre 5 et % par rapport à l'alliaga constltuant l'âme ; une proportion plus faible rendant difficlle la réalisa-tion de la préforme tandis qu'une proportion plus forte constitue une limi~e de compaction des fibres par un procédé classique de fabrication de préforme.
Néanmoins, les meilleurs résultats sont o~tenus quand la fraction volumique est comprise entre 10 et 40 %.
Les couples d'alliages utilisés dans l'invention sont tels qu'à la température correspondant ~ la refusion partielle a 30% de l'ame, l'alliage de la matrice est lui encore totalement liquide. De préférence, on met en oeuvre pour l'~me les alliages de la série des 200 suivant les normes de l'Aluminium Association et pour la matrice les alliages de la série des 300 et des 6000 suivant les mêmes normes. On peut citer, par exemple, pour l'~me, l'alliage 204.2 appelé
autrefois A-U5GT ( alliage d'aluminium contenant principalement en poids : 4,2-4,9~ de cuivre, 0,20-0,35~ de magnésium, 0,15-0,25% de titane ) et pour la matrice, soit l'alliage B380 encore appele suivant la norme française AFNOR : A-S9U3 ( alliage d'aluminium contenant environ 9~ de silicium, environ 3~ de cuivre ) ou les alliages A356 et A357 correspondant aux A-S7G suivant l'AFNOR ( alliages d'aluminium contenant en poids environ 7~ de silic~um, envirQn 0,3% ou 0,7% de magnésium ) ou encore l'alliage 6061.
Le moulage s'effectue généralement dans un moule en sable ou métallique par gravi-té, sous basse pression, sous pression ou encore par la technique de la cire perdue.
De pxéférence également, les métaux qui conviennent le mieux à la réalisation du film sont soit le nickel, le cobalt, l'argent ou l'or.
Pour 8txe suffisamment étanche, le film a de préférence une epaisseur comprise entre 0,5 et 5~m, Toutefois, les meilleurs résultats sont obtenus dans la gamme d'épaisseur comprise entre 1 et 2~m. Au delà de 5~m, l'epaisseur est trop forte et rend la dissolution du film dans la matrice trop lente.
En ce qui concerne le nickel, il a été trouv~ que la meilleure métho~e pour obtenir un revêtement correct consistait en un procédé chimique de dépôt toujours précéd~
d'un dégraissage et d'un décapage de la couche d'oxyde Dans ces conditions, le revêtement a un bon comportement ~
la corroslon; il a un pouvoir couvrant qui permet d'obtenir un dépôt régulier quelle que soit la forme de la pièce à
traiter; son adhérence aux substrats métalliques est bonne et peut encore être améliorée par un tral-tement thermique.
6 ~81~:~
De plus, il adhère parfaitement aux fibres qui a~fleurent en surface.
L'invention peut être illustrée ~ l'aide des figures 1 et 2 ci-jointes qui représentent des micrographies de pieces obtenues respectivement suivant l'art antérieur et suivant l'invention. Ces pièces ont été réalisées ~ partir d'un insert en alliage A204.2 (A-U5~T) renforcé par 20% en volume de fibres en alumine (marque SAFFIL) ayant une longueur de quelques dizaines de microns e~ d'une matrice en alliage B380 (A -S9U3). L' insert de la pièce de la figure 2 a eté revêtu d' un film de nickel d'epaisseur 2 ~m avant moulage de la matrice.
On constate sur la micrographie de la figure 1, entre l'insert et la matrice, une discontinui-té représentée par la ligne courbe 1 tandis que sur la micrographie de la figure 2, la liaison est parfaite entre l'insert et la matrice.
L'invention trouve son application, notamment dans la fabrication des pontets inter soupapes des culasses des nouvelles générations de moteurs turbodiesel et l'insertion de conduits de forme complexe dans les pièces de moulage pour l'aéronautique.
PROCEDE D'OBTENTION PAR MOULAGE
DE PIECES BIMATERIAUX
La présente invention est relative à un procédé d'obtention par moulage de pièces bimateriaux .
Elle concerne plus particulièrement les pièces formées d'une âme en alliage d'aluminium inserée dans une matrice en un autre alliage d'aluminium.
Cette structure particulière est utilisée, par exemple, pour la confection de pièces automobiles telles gue les culasses de moteurs dans le but de modifier localement leurs propriétés et l'insertion de conduits dans les pièces aéronautiques faites par moulage.
En effet, il est connu que de telles pièces sont soumises localement lors de leur utili.sation à des contraintes particulières , notamment thermiques, et que pour éviter cer-taines repercussions fâcheuses sur leur comportement, on recourt généralement à l'implantation dans les dites pièces d'inserts ayant des propriétés qui répondent mieux à ces contraintes que le matériau de base.
Toutefois, on a cons-taté que la réalisation de ces pièces bimatériaux posait des problèmes, notamment en ce qui concerne la liaison entre l'insert et la matrice.
En effet, d'une part, l'adhérence entre les constituants des pièces n'est pas toujours convenable et il en résulte alors des propriétés mécaniques ou physiques ( comme la conductivité thermique, par exemple ) insuffisantes d'autre part, le moulage s'effectuan-t avec un métal à l'état fondu par remplissage d'un moule dans lequel a é-té place 2 2 ~
l'insert, s~ le métal formant l'insert a une température de fusion inférieure ou voisine de celle du métal de moulage, il se produit une dé-formation de l'insert préjudiciable à la locàlisation correcte de ce dernier.
C'es-t pourquoi, la demanderesse, conscierlte de l'intérêt présenté par les pièce~ bimatériaux et des problèmes que pose leur réalisation , a cherché et trouvé une solution qui constitue la matière de la présente invention.
Cette dernière consiste en un procédé d'obtention par moulage de pièces bimatériaux formées d'une âme en un alliage d'aluminium insérée dans une matrice en un autre alliage d'aluminium~ caractérisé en ce que l'on enlève la couche naturelle d'alumine présente en surface de l'âme, puis, on la revêt immédiatement après d'un film imperméable aux gaz d'un métal ayant une énergie libre de formation d'oxyde supérieure à -500 kJ/mole d'oxygène entre l'ambiante et 1000 K, ayant une température de fusion supérieure à
celles de l'âme et de la matrice, étant soluble dans l'aluminium liquide et formant avec l'aluminium un eutectique, on place l'âme revêtue dans un moule que l'on remplit avec l'alliage de la matrice à l'état fondu à une température telle qu'au moins 30% de l'âme soit refondue superficiellement.
Ainsi, la première caractéristique de l'invention consiste à
enlever la couche naturelle d'alumine inévitablement présente à la surface de l'alliage formant l'âme. Ceci peut être obtenu par décapage acide ou basique. Cette opération permet de lever l'obstacle principal à l'établissement d'un lien métallurgique entre les composants de la pièce et doit être réalisée immédiatement avant de procéder à la suivante afin d'éviter la formation d'une nouvelle couche d'alumine.
La deuxième caractérlstique de l'invention est le revê-tement 0~
de l'âme par un film imperméable aux gaz afin d'eviter son oxydation dans le temps.
Ce film est en un métal ayant une énergie libre de forma-tion de l'oxyde supérieure à -500 kJ/mole d'oxygène entre l'ambiante et 1000 K de manière a être suffisamment résistant à l'oxydation.
Ce metal doit être soluble dans l'aluminium afin de permettre l'établissement de la continuite métallurgique en-tre l'~me et la matrice au moment de la coulée. Il doit avoir egalement une température de fusion supérieure celles de l'âme et de la matrice de facon à assurer jusqu'au moment de sa dissolution une fonction de protection de l'insert contre l'oxydation.
Ce film a pour fonction de substituer à la couche d'alumine tou~ours présente à la surface de l'insert, et qui constitue un obstacle à l'é-tablissement d'une liaison avec la matrice, une couche métallique ayant de meilleures affinités avec les alliages d'aluminium liquides.
La troisième caractéristique de l'invention consiste à
placer l'âme revetue dans un moule et à le remplir avec l'alliage de la matrice à l'etat fondu a une température telle que le bilan thermique de l'opération de coulée conduise à une refusion superficielle de l'âme d'au moins 30%.
La combinaison de ces caractéristigues aboutit finalement à
la continuité mé-tallurgique recherchée et perme-t d'atteindre des taux de liaison compris entre 90 et 100%.
Toutefois, dans ces conditions, si le métal formant l'lnsert a une température inférieure ou voisine de celle du métal de moulage, on ne peut empêcher la déformation dudi-t insert préjudiciable à sa localisation correcte. C'est pourquoi, dans ce cas, l'invention consis~e également ~ utiliser une âme contenant une dispersion de produits r~fractaires.
Ces produits refrac-taires ont pour fonc-tion d~ former une espèce de squelette qui préserve l'intégrité de la f~rme de l'insert pendant la coulée de la ma-trice. En effet, bien que le dit insert soit r~fondu partiellement, le squelette étant constitué d'un matériau réractaire, c'est a dire infusible dans les conditions de la coulée, permettra ~
l'insert de garder sa forme initiale~ En outre, on peut tirer avantage de l'amélioration des propriétés mécaniques et de la stabilité dimensionnelle procurées par la présence du squelette dans l'alliage d'aluminium, avantages abondamment décrits dans la littérature.
Ce squelette peut être constitué par tout matériau céramique réf~actaire, qu'il soit sous forme de fibres ou de particules, habituellemen-t utilisé avec les alliages d'aluminium et de préférence l'alumine. Il a de préférence une géométrie analogue à celle de l'insert de manière à
réaliser une préforme.
Il représente en volume une proportion comprise entre 5 et % par rapport à l'alliaga constltuant l'âme ; une proportion plus faible rendant difficlle la réalisa-tion de la préforme tandis qu'une proportion plus forte constitue une limi~e de compaction des fibres par un procédé classique de fabrication de préforme.
Néanmoins, les meilleurs résultats sont o~tenus quand la fraction volumique est comprise entre 10 et 40 %.
Les couples d'alliages utilisés dans l'invention sont tels qu'à la température correspondant ~ la refusion partielle a 30% de l'ame, l'alliage de la matrice est lui encore totalement liquide. De préférence, on met en oeuvre pour l'~me les alliages de la série des 200 suivant les normes de l'Aluminium Association et pour la matrice les alliages de la série des 300 et des 6000 suivant les mêmes normes. On peut citer, par exemple, pour l'~me, l'alliage 204.2 appelé
autrefois A-U5GT ( alliage d'aluminium contenant principalement en poids : 4,2-4,9~ de cuivre, 0,20-0,35~ de magnésium, 0,15-0,25% de titane ) et pour la matrice, soit l'alliage B380 encore appele suivant la norme française AFNOR : A-S9U3 ( alliage d'aluminium contenant environ 9~ de silicium, environ 3~ de cuivre ) ou les alliages A356 et A357 correspondant aux A-S7G suivant l'AFNOR ( alliages d'aluminium contenant en poids environ 7~ de silic~um, envirQn 0,3% ou 0,7% de magnésium ) ou encore l'alliage 6061.
Le moulage s'effectue généralement dans un moule en sable ou métallique par gravi-té, sous basse pression, sous pression ou encore par la technique de la cire perdue.
De pxéférence également, les métaux qui conviennent le mieux à la réalisation du film sont soit le nickel, le cobalt, l'argent ou l'or.
Pour 8txe suffisamment étanche, le film a de préférence une epaisseur comprise entre 0,5 et 5~m, Toutefois, les meilleurs résultats sont obtenus dans la gamme d'épaisseur comprise entre 1 et 2~m. Au delà de 5~m, l'epaisseur est trop forte et rend la dissolution du film dans la matrice trop lente.
En ce qui concerne le nickel, il a été trouv~ que la meilleure métho~e pour obtenir un revêtement correct consistait en un procédé chimique de dépôt toujours précéd~
d'un dégraissage et d'un décapage de la couche d'oxyde Dans ces conditions, le revêtement a un bon comportement ~
la corroslon; il a un pouvoir couvrant qui permet d'obtenir un dépôt régulier quelle que soit la forme de la pièce à
traiter; son adhérence aux substrats métalliques est bonne et peut encore être améliorée par un tral-tement thermique.
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De plus, il adhère parfaitement aux fibres qui a~fleurent en surface.
L'invention peut être illustrée ~ l'aide des figures 1 et 2 ci-jointes qui représentent des micrographies de pieces obtenues respectivement suivant l'art antérieur et suivant l'invention. Ces pièces ont été réalisées ~ partir d'un insert en alliage A204.2 (A-U5~T) renforcé par 20% en volume de fibres en alumine (marque SAFFIL) ayant une longueur de quelques dizaines de microns e~ d'une matrice en alliage B380 (A -S9U3). L' insert de la pièce de la figure 2 a eté revêtu d' un film de nickel d'epaisseur 2 ~m avant moulage de la matrice.
On constate sur la micrographie de la figure 1, entre l'insert et la matrice, une discontinui-té représentée par la ligne courbe 1 tandis que sur la micrographie de la figure 2, la liaison est parfaite entre l'insert et la matrice.
L'invention trouve son application, notamment dans la fabrication des pontets inter soupapes des culasses des nouvelles générations de moteurs turbodiesel et l'insertion de conduits de forme complexe dans les pièces de moulage pour l'aéronautique.
Claims (15)
1. Procédé d'obtention par moulage de pièces bimatériaux formées d'une âme en un alliage d'aluminium insérée dans une matrice en un autre alliage d'aluminium,caractérisé en ce que l'on enlève la couche naturelle d'alumine présente en surface de l'âme, puis, on la revêt immédiatement après d'un film imperméable aux gaz d'un métal ayant une énergie libre de formation d'oxyde supérieure à -500 kJ/mole d'oxygène entre l'ambiante et 1000 K, ayant une température de fusion supérieure à celles de l'âme et de la matrice, étant soluble dans l'aluminium liquide et formant avec l'aluminium un eutectique, on place l'âme revêtue dans un moule que l'on remplit avec l'alliage de la matrice à l'état fondu à une température telle qu'au moins 30% de l'âme soit refondue superficiellement.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre une âme contenant un squelette réfractaire.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alliages constituant la matrice appartiennent à la série des 300 et des 6000 suivant les normes de l'Aluminium Association.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage appartient au groupe constitué par l'A351, l'A356, le B380 et l'AA6061.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les alliages constituant l'âme appartiennent à la série des 200 suivant les normes de l'Aluminium Association.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alliage est l'A2O4.2.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit réfractaire fibreux est à base d'alumine.
8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la proportion volumique de fibres dans l'âme est comprise entre 5 et 60%.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la proportion volumique de fibres est comprise entre 10 et 40 %.
10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal formant le film est le nickel.
11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal formant le film est le cobalt.
12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal formant le film est l'argent.
13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal formant le film est l'or.
14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film a une épaisseur comprise entre 0,5µm et 5µm.
15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le film a une épaisseur comprise entre 1 et 2 µm.
160 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film de nickel est formé par voie chimique.
160 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film de nickel est formé par voie chimique.
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