CA2973937A1 - Process for obtaining a low silicon aluminium alloy part - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé d'obtention d'une pièce en alliage d'aluminium bas silicium.
L'invention se rattache au secteur technique de la fonderie, pour la fabrication de pièces aluminium, notamment dans le domaine de l'automobile, de l'aéronautique et plus généralement, tous types d'industries.
Il existe de nombreux alliages dit bas silicium . Ces alliages présentent de hautes caractéristiques mécaniques après traitement thermique T6 (Rp0,2 300 MPa ; A% 8 %). Ils sont rassemblés dans la série 6000 (Al-Mg-Si) de la classification des alliages d'aluminium. Les plus connus sont les 6082, 6061, 6151. De nombreuses compositions existent également avec des teneurs semblables aux alliages normés, parmi lesquelles on peut citer par exemple le document EP 0 987 344.
Les alliages cités ont été développés pour l'obtention de produits semi-finis (billettes ou lingots pour forge ou laminage) destinés à être transformés lors d'opérations à chaud ou à froid avec de grands taux de déformation (> 50 %). De plus les géométries de ces produits semi-finis sont simples (barre, barreau ou lingot) ce qui permet de solidifier ces alliages avec un minimum de défauts en utilisant des procédés avec de hautes vitesses de solidification. Ces géométries et ces procédés conduisent selon des techniques aujourd'hui maîtrisées, à des produits semi-finis exempts de défauts parmi lesquels on peut citer : retassures, criques, macro-ségrégations, macro-précipitations (prévient la formation de précipités trop grossiers, >100 tm).
A partir de cet état de la technique, le problème posé que se propose de résoudre l'invention est de pouvoir réaliser des pièces répondant à des normes de qualité et de sécurité élevées, et susceptibles d'avoir des formes complexes.
Pour résoudre ce problème, l'objet de l'invention porte sur un procédé de fabrication d'une pièce en alliage d'aluminium bas silicium, type 6000.
Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé d'obtention d'une pièce en alliage d'aluminium bas silicium, comprenant du silicium à
un taux compris entre 0,5 et 3 %, du magnésium à un taux compris entre 0,65 et 1 %, du cuivre à un taux compris entre 0,20 et 0,40 %, du manganèse à un taux compris entre 0,15 et 0,25 %, du titane à un taux compris entre 0,10 et 0,20 %, et du strontium à un taux compris entre 0 et 120 ppm, selon lequel :
- on coule dans un moule ledit alliage pour obtenir la pièce, - après la coulée, on démoule la pièce constituant une préforme encore chaude, - on refroidit ladite préforme que l'on soumet ensuite à une opération apte à la réchauffer à une température comprise entre 470 C et 550 C.
- on positionne ladite pièce entre deux coquilles d'une matrice définissant une empreinte de dimensions sensiblement égales, mais inférieures à celle du moule, - on presse fortement les deux coquilles l'une contre l'autre pour exercer sur la pièce disposée entre lesdites coquilles un effet combiné de pressage et de corroyage superficiel.
La présente invention a également pour objets :
- la mise en oeuvre du procédé ci-dessus dans le domaine 'automobile ou dans le domaine aéronautique ; Process for obtaining a low silicon aluminum alloy part The invention relates to the technical sector of the foundry, for the manufacture of aluminum parts, particularly in the field of automotive, aeronautics and more generally, all types industries.
There are many alloys called low silicon. These alloys exhibit high mechanical characteristics after heat treatment T6 (Rp0.2 300 MPa, A% 8%). They are gathered in the 6000 series (Al-Mg-Si) of the classification of aluminum alloys. The most famous are the 6082, 6061, 6151. Many compositions also exist with levels similar to standard alloys, among which may be mentioned for example the document EP 0 987 344.
The alloys mentioned have been developed to obtain products semi-finished products (billets or ingots for forging or rolling) intended to be transformed during hot or cold operations with high rates of deformation (> 50%). In addition, the geometries of these semi-finished products are simple (bar, bar or ingot) which solidifies these alloys with a minimum of defects using processes with high solidification rates. These geometries and these processes lead according to currently mastered techniques, to semi-finished products free from defects among which we can mention: sinkholes, creeks, macro-segregation, macro-precipitation (prevents the formation of precipitates too much coarse,> 100 tm).
From this state of the art, the problem posed to solve the invention is to be able to produce parts responding to high standards of quality and safety, and likely to have complex.
To solve this problem, the subject of the invention relates to a process for manufacturing a low silicon aluminum alloy part, type 6000.
More particularly, the invention relates to a process for obtaining of a low silicon aluminum alloy part, comprising silicon to a level between 0.5 and 3%, magnesium at a rate between 0.65 and 1%, copper at a rate between 0.20 and 0.40%, manganese at a rate of between 0.15 and 0.25%, titanium at a rate between 0.10 and 0.20%, and strontium at a rate between 0 and 120 ppm, according to which:
said alloy is cast in a mold to obtain the part, after casting, the part constituting a preform is demolded hot, said preform is cooled and then subjected to an operation able to heat it to a temperature between 470 C and 550 C.
positioning said part between two shells of a matrix defining a footprint of substantially equal dimensions, but less than that of the mold, - the two shells are strongly pressed against each other to exercise on the part arranged between said shells a combined effect of pressing and surface treatment.
The present invention also objects:
the implementation of the above method in the field automotive or in the aeronautical field;
2 - l'utilisation d'une pièce obtenue par le procédé mentionné ci-dessus, dans le domaine automobile ; et - l'utilisation de l'alliage dans le procédé mentionné ci-dessus, dans le domaine aéronautique.
Dans une forme de réalisation du procédé, après refroidissement de la préforme, cette dernière est réchauffée en étant disposée dans un four tunnel.
Il résulte de ces caractéristiques que l'opération de fonderie suivie de la forge en une étape de la préforme ne présentent pas les mêmes paramètres de températures, vitesse de solidification, taux de déformation, température de forge que les procédés de l'état antérieur de la technique.
L'alliage revendiqué répond à ces contraintes et permet d'obtenir des pièces avec une qualité satisfaisante, tout particulièrement si celles-ci relèvent d'une obligation de sécurité (pièce de liaison au sol = pièces de sécurité). =
Parmi ces contraintes, on note, à titre d'exemples :
la géométrie de la préforme, contrairement à des barreaux ou des lingots, comprend dès sa conception les ébauches des zones fonctionnelles de la pièce et peut donc avoir une géométrie complexe comprenant des nervures ou des variations de section conduisant à des masses isolées de métal liquide. Ces masses isolées peuvent être tolérées en augmentant le taux de silicium (type AS7G03, alliage standard de fonderie). Une diminution de ce taux rend l'alliage plus sensible lors de la solidification et conduit à des défauts de retassure (porosités) plus nombreux et d'un volume plus important. 2 - the use of a part obtained by the process mentioned above above, in the automotive field; and the use of the alloy in the process mentioned above, in the aeronautical field.
In one embodiment of the process, after cooling the preform, the latter is heated by being placed in an oven tunnel.
It follows from these characteristics that the foundry operation followed by the forge in one stage of the preform do not exhibit the same temperature parameters, solidification rate, strain rate, forging temperature than the prior art methods.
The claimed alloy satisfies these constraints and makes it possible to obtain parts with satisfactory quality, especially if these come under a safety obligation (ground connection piece = pieces of security). =
Among these constraints, we note, as examples:
the geometry of the preform, unlike bars or ingots, includes from its conception the sketches of the functional zones of the piece and can therefore have a complex geometry including ribs or sectional variations leading to isolated masses of liquid metal. These isolated masses can be tolerated by increasing the silicon level (AS7G03 type, standard foundry alloy). A
lowering this rate makes the alloy more sensitive during solidification and leads to more extensive sink defects (porosities) and most important.
3 l'intervalle de solidification, qui est défini par la différence entre la température de liquidus et la température eutectique de l'alliage considéré.
Pour un alliage, type AS7G03 modifié au strontium, cet intervalle est de 50 C env. (611 C ¨ 562 C). Pour un alliage bas silicium type 6000, il est de l'ordre de 90 C (655 C ¨ 562 C) en retenant la précipitation des Mg2Si macroscopiques (ou du silicium) comme pseudo palier eutectique.
Un intervalle de solidification grand conduit à une zone pâteuse plus étendue à travers la pièce, de sorte qu'il devient plus difficile de diriger le front de solidification pour réduire les défauts comme cela se fait traditionnellement et presque naturellement avec un alliage AS7G03.
l'AS7G03 a une sensibilité presque nulle à la crique du fait de la grande quantité d'eutectique qui va pouvoir combler les criques qui apparaissent lors du retrait en solidification. Ce n'est pas le cas d'un alliage bas silicium, qui comporte très peu d'eutectique ce qui entraine une forte sensibilité à la crique et demande d'adapter la composition et de maîtriser les gradients thermiques de solidification.
Il est également nécessaire d'ajuster la composition chimique pour obtenir le meilleur compromis entre les paramètres de fonderie, de forge, de traitement thermique et les caractéristiques mécaniques voulues sur pièces finies. Dans ce but on détaille ci-après chacun des éléments de l'alliage, leur teneur et les effets ayant conduit à retenir ces valeurs :
Le taux de silicium est compris entre 0,5 et 3 %. Un taux de silicium inférieur à 1%, conduit aux limites élastiques et allongements les plus élevés. Cependant, il s'agit du taux pour lequel l'alliage est le plus sensible à la crique et a la plus faible coulabilité. Il est donc nécessaire de pouvoir 3 the solidification interval, which is defined by the difference between the liquidus temperature and the eutectic temperature of the alloy considered.
For an alloy, type AS7G03 modified with strontium, this interval is 50 C approx. (611 C ¨ 562 C). For a low silicon type 6000 alloy, it is in the order of 90 C (655 C ¨ 562 C) by retaining the precipitation of Macroscopic Mg2Si (or silicon) as eutectic pseudo-level.
A large solidification interval leads to a more pasty area extended across the room, so it becomes more difficult to direct the solidification front to reduce defects as it is done traditionally and almost naturally with an AS7G03 alloy.
the AS7G03 has almost no sensitivity to the creek due to the large amount of eutectic that will be able to fill the creeks appear during solidification shrinkage. This is not the case for a alloy low silicon, which has very little eutectic which causes a strong sensitivity to the crack and demand to adapt the composition and master the thermal gradients of solidification.
It is also necessary to adjust the chemical composition to to obtain the best compromise between the parameters of foundry, forge, heat treatment and the desired mechanical characteristics on parts finished. For this purpose we detail below each of the elements of the alloy, their content and the effects that led to the retention of these values:
The silicon content is between 0.5 and 3%. Silicon content less than 1%, leads to the highest elastic limits and elongations high. However, this is the rate for which the alloy is the most sensitive at the creek and the lowest flowability. It is therefore necessary to be able to
4 adapter le taux de silicium en fonction de la géométrie de la pièce. Des géométries complexes demanderont un taux plus élevé afin de réduire cette sensibilité à la crique. Le taux maximum de 3% correspondant à un taux au-delà duquel l'allongement et la limite élastique deviennent trop faibles pour qu'il soit toujours intéressant de produire avec un alliage de ce type.
Le taux de magnésium est compris entre 0, 65 et 1 %. Ce taux permet d'optimiser la densité de précipités Mg2Si dans la matrice aluminium. Il compense la diminution du taux de silicium tout en ayant un minimum de précipités Mg2Si macroscopiques qui sont endommageant et doivent être dissouts ou transformés lors du traitement thermique. Si les précipités sont trop nombreux, ou trop gros, le traitement thermique n'aura qu'un faible effet pour leur dissolution, la taille critique de dissolution ayant été dépassée.
Le taux de cuivre est compris entre 0,20 et 0,40 %. Ce taux permet la formation de précipités Al2Cu dans la matrice et l'absence totale de précipités Al2Cu macroscopiques. L'absence de ces précipités macroscopiques permet de conserver des températures de forge élevées et ainsi de minimiser les efforts de forge (qui est réalisée en une seule étape).
En effet, les principaux précipités formés en présence de cuivre sont Al2Cu et AlMgSiCu fondant respectivement à 490 C et 525 C, leur présence empêcherait de forger à des températures plus élevées sans risque de brûlure de l'alliage qui rendrait les pièces inutilisables. Cette dégradation s'apparente à une destruction de l'alliage. Un taux de cuivre plus élevé
augmente aussi la sensibilité à la crique de l'alliage, car il reste un eutectique à solidifier à des températures faibles (490 C ou 525 C) pour lesquels les contraintes mécaniques (liées au retrait de solidification) exercées sur la pièce sont importantes. 4 adapt the silicon content according to the geometry of the part. of the complex geometries will require a higher rate to reduce this crack sensitivity. The maximum rate of 3% corresponding to a rate beyond which the elongation and the elastic limit become too weak for that it is always interesting to produce with an alloy of this type.
The magnesium level is between 0, 65 and 1%. This rate allows to optimize the density of precipitates Mg2Si in the matrix aluminum. It compensates for the decrease in silicon content while having a minimum of macroscopic Mg2Si precipitates that are damaging and must be dissolved or transformed during heat treatment. If the precipitates are too numerous, or too big, heat treatment will not that a weak effect for their dissolution, the critical size of dissolution having been outdated.
The copper content is between 0.20 and 0.40%. This rate allows the Al2Cu precipitates in the matrix and the total absence of precipitated Al2Cu macroscopic. The absence of these precipitates macroscopic techniques makes it possible to maintain high forging temperatures and thus minimizing forging efforts (which is performed in one step).
Indeed, the main precipitates formed in the presence of copper are Al2Cu and AlMgSiCu melting at 490 C and 525 C respectively, their presence prevent forging at higher temperatures without risk of burning of the alloy which would render the parts unusable. This degradation is akin to a destruction of the alloy. Higher copper content also increases the sensitivity to the crack of the alloy, because it remains a eutectic to be solidified at low temperatures (490 C or 525 C) for which mechanical stresses (related to the removal of solidification) exercised on the piece are important.
5 Le taux de manganèse est compris entre 0,15 et 0,25 %. Ce taux évite la formation de précipités AlFeSi sous forme f3 (plaque très endommageante) et permet de former plutôt des précipités AlFeMnSi sous forme a (écriture chinoise moins endommageante). Ceci permet de maximiser l'allongement sur pièce finie résultant du procédé Cobapress.
Cet effet est le plus souvent utilisé avec des quantités plus importantes de manganèse et de fer, ces deux éléments conduisant à un fort durcissement de l'alliage mais également à de plus gros précipités lors de la solidification. Ces gros précipités sont pénalisants pour un bon allongement.
Cependant; l'alliage selon l'invention est destiné, comme indiqué, au procédé Cobapress, selon lequel on forge en une seule étape, qui ne présente pas les grandes déformations rencontrées en forge, laminage ou extrusion. Ces grandes déformations permettent de fragmenter ces gros précipités et de les rendre beaucoup moins endommageant tout en conservant leur effet durcissant. Dans le cas de l'alliage, selon l'invention, il convient de minimiser dès la coulée l'impact des précipités à base de fer sur les caractéristiques mécaniques. En effet, leur morphologie ne sera plus modifiée, la forge en une étape ne déformant pas suffisamment la pièce pour changer leur morphologie. Enfin, ce taux de manganèse est adapté aux vitesses de refroidissement obtenues lors de la coulée en moule permanent, en regard de ces vitesses, il favorise la formation de précipités AlFeMnSi sous-forme a.
Le taux de titane est compris entre 0,10 et 0,20 %. Ce taux est nécessaire pour une germination efficace des grains et une taille de grain fine qui a un effet important sur les caractéristiques mécaniques de ces alliages. 5 The manganese content is between 0.15 and 0.25%. This rate avoids the formation of AlFeSi precipitates in f3 form (very damaging) and allows to form AlFeMnSi precipitates under form a (Chinese writing less damaging). This allows to maximize the finished part elongation resulting from the Cobapress process.
This effect is most often used with larger amounts of manganese and iron, these two elements leading to a strong hardening alloy but also to larger precipitates during the solidification. These large precipitates are penalizing for a good elongation.
However; the alloy according to the invention is intended, as indicated, for Cobapress process, in which one forges in one step, which does not not present the large deformations encountered in forging, rolling or extrusion. These large deformations allow to fragment these fat precipitated and make them a lot less damaging while retaining their hardening effect. In the case of the alloy, according to the invention, the impact of iron precipitates should be minimized as soon as they are poured on the mechanical characteristics. Indeed, their morphology will not be modified, the forge in one step does not distort the room sufficiently to change their morphology. Finally, this level of manganese is adapted to cooling rates obtained during permanent mold casting, compared to these speeds, it promotes the formation of AlFeMnSi precipitates subform a.
The titanium content is between 0.10 and 0.20%. This rate is necessary for efficient grain germination and grain size which has a significant effect on the mechanical characteristics of these alloys.
6 Le taux de strontium est compris entre 0 et 120 ppm. Ce taux est nécessaire pour avoir une solidification fibreuse des faibles quantités d'eutectique qui se forment. Ceci se produit majoritairement pour des taux de silicium supérieurs à 1,5 %.
On a vu que la composition de cet alliage est adaptée pour conduire à
une solidification qui permettra de maximiser les caractéristiques mécaniques malgré les faibles niveaux de déformation rencontrés lors du procédé Cobapress.
Toutefois, des défauts de solidification persistent, défauts de solidification intergranulaire de retassure localisée aux joints de grains avec une morphologie ramifiée et diffuse qui fragilise la pièce de fonderie.
L'opération de forge Cobapress permet de refermer et de ressouder ces défauts avec une maîtrise en conception du taux de déformation. Le couple température/déformation permet une ressoudure des défauts. Le tableau, ci-dessous, présente les caractéristiques mécaniques sur pièce de fonderie et sur pièces, selon le procédé Cobapress, après traitement thermique T6 de l'alliage bas silicium. On peut noter l'amélioration de limite à rupture Rm et de l'allongement à rupture :
im...AIMIEMPUMMUMSURSINeeiempeigggfettreeAleeeet -::Fonderie AlMeiC.0 . 300 315 1,3 Cobapresst" AlrvIgSiCtu+ T6...e 300 340 8 Rp = Limite élastique Rm = Résistance mécanique A% = Allongement Enfin, cette composition permet de diminuer la complexité du traitement thermique usuel pour des alliages type Al-Mg-Si-Cu. Le taux de 6 The strontium level is between 0 and 120 ppm. This rate is necessary to have fibrous solidification of the small quantities of eutectic that are formed. This occurs mainly for rates silicon greater than 1.5%.
We have seen that the composition of this alloy is adapted to lead to solidification that will maximize the characteristics in spite of the low levels of deformation encountered during Cobapress process.
However, solidification defects persist, defects in intergranular solidification of local gill-localized shrinkage with a branched and diffuse morphology that weakens the casting.
The Cobapress forging operation allows you to close and refold these defects with a control in design of the rate of deformation. The torque temperature / deformation allows a recovery of defects. The table, below, presents the mechanical characteristics on foundry and on parts, according to the Cobapress process, after treatment Thermal T6 of the low silicon alloy. We can note the improvement of rupture limit Rm and elongation at break:
im ... AIMIEMPUMMUMSURSINeeiempeigggfettreeAleeeet - :: AlMeiC.0 Foundry. 300,315 1.3 Cobapresst "AlrvIgSiCtu + T6 ... e 300 340 8 Rp = Elastic limit Rm = Mechanical resistance A% = Lengthening Finally, this composition makes it possible to reduce the complexity of the usual heat treatment for Al-Mg-Si-Cu alloys. The rate of
7 silicium, les vitesses de solidification et l'affinage du grain conduisent à
des précipités macroscopiques Mg2Si dont la taille et la morphologie facilite la dissolution lors du traitement thermique.
On renvoie aux figures des dessins annexés représentant la micrographie d'une pièce, afin de montrer l'importance du taux de manganèse et de cuivre. La figure 1 montre une microstructure de fonderie, sans manganese, précipités en aiguilles , type 13, tandis que la figure 2 montre la monostructure avec manganèse, précipités en écriture chinoise , type a.
Les figures 3, 4 et 5 montrent l'élimination des précipités de cuivre Al2Cu.
Aux figures 3 et 4, le taux de cuivre est supérieur à 0,40%, ce qui entraine la présence de précipités Al2Cu., La figure 4 montre un exemple où
l'on peut observer les précipitations AlFeMnSi et Mg2Si entourés de précipités Al2Cu.
La figure 5 montre une teneur en cuivre comprise entre 0,20% et 0,40%, selon l'invention, montrant une absence de précipités Al2Cu., 7 silicon, solidification rates and grain refinement lead to of the macroscopic precipitates Mg2Si whose size and morphology facilitates the dissolution during heat treatment.
Referring to the figures of the accompanying drawings showing the micrograph of a room, to show the importance of the rate of manganese and copper. Figure 1 shows a foundry microstructure, without manganese, precipitated in needles, type 13, while Figure 2 shows the monostructure with manganese, precipitated in writing Chinese type a.
Figures 3, 4 and 5 show the elimination of copper precipitates Al2Cu.
In FIGS. 3 and 4, the copper content is greater than 0.40%, which leads to the presence of precipitates Al2Cu., Figure 4 shows an example where we can observe the AlFeMnSi and Mg2Si precipitations surrounded by precipitated Al2Cu.
Figure 5 shows a copper content of between 0.20% and 0.40%, according to the invention, showing a lack of precipitates Al2Cu.
8 8
Claims
-1- Procédé d'obtention d'une pièce en alliage d'aluminium bas silicium, comprenant :
- du silicium à un taux compris entre 0,5 et 3 %, - du magnésium à un taux compris entre 0,65 et 1 %, - du cuivre à un taux compris entre 0,20 et 0,40 %, - du manganèse à un taux compris entre 0,15 et 0,25 %, - du titane à un taux compris entre 0,10 et 0,20 %, et - du strontium à un taux compris entre 0 et 120 ppm, selon lequel :
- on coule dans un moule ledit alliage pour obtenir la pièce, - après la coulée, on démoule la pièce constituant une préforme encore chaude, - on refroidit ladite préforme que l'on soumet ensuite à une opération apte à la réchauffer à une température comprise entre 470 °C et 550 °C, - on positionne ladite pièce entre deux coquilles d'une matrice finissant une empreinte de dimensions sensiblement égales, mais inférieures à celle du moule, - on presse fortement les deux coquilles l'une contre l'autre pour exercer sur la pièce disposée entre lesdites coquilles un effet combiné de pressage et de corroyage superficiel.
-2- Utilisation d'une pièce obtenue par le procédé selon la revendication 1, dans le domaine de l'automobile.
-3- Utilisation de l'alliage dans le procédé selon la revendication 1, dans le domaine de l'aéronautique. -1- Process for obtaining a low silicon aluminum alloy part, comprising:
silicon at a level of between 0.5 and 3%, magnesium at a level of between 0.65 and 1%, copper at a rate of between 0.20 and 0.40%, - manganese at a rate between 0.15 and 0.25%, titanium at a level of between 0.10 and 0.20%, and strontium at a level of between 0 and 120 ppm, according to which:
said alloy is cast in a mold to obtain the part, after casting, the part constituting a preform is demolded hot, said preform is cooled and then subjected to an operation able to heat it to a temperature between 470 ° C and 550 ° C, positioning said part between two shells of a matrix finishing a footprint of substantially equal dimensions, but less than that of the mold, - the two shells are strongly pressed against each other for exert on the piece arranged between said shells an effect combined pressing and surface treatment.
Use of a part obtained by the process according to claim 1, in the automotive field.
Use of the alloy in the process according to claim 1, in which field of aeronautics.
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