EP0069680A1 - Procédé d'affinage du grain du silicium primaire des alliages aluminium-silicium hypereutectiques - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a process for refining the primary silicon of the hypereutectic aluminum-silicon alloys.
- aluminum-silicon alloys are classified into three groups according to their content of addition element. Alloys containing about 12.5% by weight of Si are said to be eutectic; those which contain a quantity lower or higher than this value are qualified respectively as hypo or hypereutectics.
- hypereutectic alloys which, during their development, successively give, on cooling, a solid phase containing essentially crystals of primary silicon then the aluminum-silicon eutectic.
- Such alloys find their application in particular during the manufacture by molding of liners of internal combustion engines, because such a structure of hard primary silicon crystals embedded in a softer eutectic matrix is particularly capable of forming a surface having favorable microporosities. lubricant retention and friction behavior. However, in order to obtain suitable results, these crystals must have dimensions not exceeding 100 ⁇ m.
- the present invention relates to a process for refining the primary silicon of hypereutectic aluminum-silicon alloys which have undergone a pre-refining with a phosphorus-based product, characterized in that this alloy is added a magnesium product immediately before pouring it.
- the alloy being prepared in a conventional manner and refined by adding 50 to 1000 ppm of phosphorus or of a corresponding quantity of one of its derivatives, we therefore add to it magnesium.
- the latter may be in the elementary state or of aluminum-magnesium master alloys and in the form of turnings, powder or even massive pieces of dimensions compatible with a sufficiently high speed of dissolution.
- the quantity used is such that it makes it possible to reach, in the final alloy, a magnesium content of 500 ppm but, in the case of the production of alloys containing magnesium in their composition, the quantity can be added necessary to achieve the desired content.
- the addition takes place at a time as close as possible to that of the casting and in any case, less than 30 minutes before solidification, because, beyond this time, the refining effect is fades and becomes practically zero.
- the addition is made less than five minutes before casting in order to be in the optimum ripening conditions.
- a metal bath of AS17 was divided into three separate volumes to which were added to each different amounts of phosphorus, between 10 and 50 ppm. A sample was taken from each of them, which was solidified in thirteen seconds and whose structure was examined: the size of the primary silicon crystals observed was 20 - 40 - 60 ⁇ m.
- magnesium has the effect of dividing the size of the primary silicon grains by a factor of approximately 2.
- the present invention finds its application in the refining of aluminum alloys hypereutecti q ues and is of great interest, in particular ment when these alloys are intended for the manufacture of liners of internal combustion engines or of any other part subjected to friction.
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Abstract
L'invention concerne un procédé d'affinage du silicium primaire d'alliages aluminium-silicium hypereutectiques.
Elle est caractérisée par un pré-affinage au moyen d'un produit à base de phosphore suivi d'un affinage par le magnésium immédiatement avant la coulée.
Elle trouve son application dans la fabrication de chemises de moteurs à combustion interne ou de tout autre pièce soumise à des frottements.
Description
- La présente invention est relative à un procédé d'affinage du silicium primaire des alliages aluminium-silicium hypereutectiques.
- L'homme de l'art sait que l'on classe les alliages aluminium-silicium en trois groupes suivant leur teneur en élément d'addition. Les alliages contenant environ 12,5 % en poids de Si sont dits eutectiques ; ceux qui en renferment une quantité inférieure ou supérieure à cette valeur sont qualifiés respectivement d'hypo ou d'hypereutectiques.
- Dans le cas présent, ne sont considérés que les alliages hypereutectiques qui, lors de leur élaboration, donnent successivement, en se refroidissant, une phase solide contenant essentiellement des cristaux de silicium primaire puis l'eutectique aluminium-silicium.
- De tels alliages trouvent leur application en particulier lors de la fabrication par moulage de chemises de moteurs à combustion interne, car une telle structure de cristaux de silicium primaire durs noyés dans une matrice eutectique plus tendre est particulièrement apte à former une surface présentant des microporosités favorables à la rétention des lubrifiants et au comportement au frottement. Mais, il faut cependant, pour obtenir des résultats convenables, que ces cristaux aient des dimensions ne dépassant pas 100 pm.
- Or, cette exigence est difficile à respecter sur les pièces de fonderie surtout lorsqu'elles sont de taille importante.
- C'est pourquoi, on est amené, lors de l'élaboration de ces alliages, à ajouter des éléments ou des composés dits "affinants" qui multiplient dans le métal liquide le nombre de centresde germination et conduisent, au cours du refroidissement, à la formation de cristaux de petites dimensions.
- De nombreux agents d'affinage ont été décrits dans la littérature. Toutefois, on ne peut les utiliser indifféremment car chacun d'entre eux a un effet spécifique.
- Si certains ont une action sur les cristaux de silicium primaire, d'autres, au contraire, n'agissent que sur les cristaux de silicium de l'eutectique. Il en est mêmeequi peuvent provoquer un grossissement des cristaux de l'une des phases en même temps qu'ils affinent les cristaux de l'autre.
- S.T. CHIU, dans son article "The effect of various éléments on the modification of Al-Si Alloys" paru dans la revue METALLKUNDE n° 57 de Mai 1966, a montré la spécificité de ces éléments et, notamment, dans le tableau 4 à la page 399, il donne une liste d'éléments avec leurs concentrations qui sont susceptibles d'affiner les cristaux de silicium primaire. On y trouve le chrome, le molybdène, le manganèse, le tungstène, le phosphore, le soufre, l'iode, le cuivre, l'argent, le zinc, l'étain, le plomb, le nickel, le cadmium, le mercure.
- On peut lire aussi dans cet article à la page 396, sur le tableau 2, que le magnésium ajouté à un alliage hypereutectique contrairement à tous les éléments cités plus haut a pour effet de grossir les cristaux de silicium primaire et d'affiner les critaux eutectiques.
- Or, la demanderesse, dans une étude approfondie de l'affinage des alliages hypereutectiques, notamment par le phosphore, a constaté avec surprise qu'un ajout de magnésium à de tels alliages déjà affinés, n'avait pas pour effet de réduire cet affinage, mais, au contraire, de l'amplifier ; ce qui va à l'encontre de l'enseignement donné par CHIU. De plus, elle a remarqué que l'action d'affinage complémentaire était fugace, c'est-à-dire qu'elle disparaissait progressivement dans le temps et qu'il fallait donc ajouter ce magnésium peu de temps avant la coulée pour bénéficier au maximum de son effet.
- Ainsi, la présente invention est-elle relative à un procédé d'affinage du silicium primaire d'alliages aluminium-silicium hypereutectiques ayant subi un pré-affinage par un produit à base de phosphore, caractérisé en ce que l'on ajoute à cet alliage un produit à base de magnésium immédiatement avant de le couler. L'alliage étant préparé de manière classique et affiné par ajout de 50 à 1000ppm de phosphore ou d'une quantité correspondante de l'un de ses dérivés, on y ajoute donc du magnésium. Ce dernier peut être à l'état élémentaire ou d'alliages-mères aluminium-magnésium et sous forme de tournures, de poudre ou même de morceaux massifs de dimensions compatibles avec une vitesse de dissolution suffisamment grande.
- La quantité utilisée est telle qu'elle permet d'atteindre, dans l'alliage final, une teneur en magnésium de 500 ppm mais, dans le cas de l'élaboration d'alliages contenant du magnésium dans leur composition, on peut ajouter la quantité nécessaire pour atteindre la teneur souhaitée. L'ajout s'effectue à un moment le plus voisin possible de celui de la coulée et en tout cas, moins de 30 minutes avant la solidification, car, au-delà de ce laps de temps, l'effet d'affinage s'estompe et devient pratiquement nul. De préférence, l'ajout se fait moins de cinq minutes avant la coulée pour être dans les conditions optima d'affinage.
- On peut ainsi obtenir une réduction de moitié environ de la taille des cristaux de silicium primaire par rapport à celle qui est obtenue en présence de phosphore seulement.
- On peut également, pour une taille de cristaux souhaitée, réduire la quantité de phosphore nécessaire à un tel affinage et la compenser par une quantité de magnésium. Celà a pour avantage de réduire la consommation en ce métalloide et de diminuer les quantités présentes dans les fours d'élaboration.
- L'invention peut être illustrée au moyen des exemples suivants :
- A partir d'un bain métallique d'AS17 ultra pur, contenant quelques dizaines de ppm de phosphore, et à une température de 765°C, on a prélevé un échantillon que l'on a solidifié en 13 secondes. Ce dernier présentait, à l'examen, des cristaux de silicium primaire d'une taille moyenne voisine de 50pm.
- On a alors ajouté au même bain 0,1 % de magnésium puis, deux minutes après l'introduction, on a prél.evé, solidifié et examiné dans les mêmes conditions que précédemment, un nouvel échantillon : la taille des cristaux était alors passée à 25 pm. Les mêmes opérations ont été répétées une heure après l'introduction du magnésium et ont alors conduit à l'observation de cristaux de 40 µm montrant ainsi la fugacité de l'effet de cet élément d'affinage.
- Un bain métallique d'AS17 a été partagé en trois volumes distincts auxquels on a ajouté à chacun des quantités différentes de phosphore, comprises entre 10 et 50 ppm. On a prélevé sur chacun d'eux un échantillon que l'on a solidifié en treize secondes et dont on a examiné la structure : la taille des cristaux de silicium primaire observée était 20 - 40 - 60 pm.
- A chacun des volumes, on a ajouté 0,1 % Mg et, deux minutes après introduction de cet élément, on a procédé aux mêmes opérations que celles pratiquées sur l'alliage non traité par le magnésium. La taille des grains était resnectivement, pour chacun des échantillons : 11 - 19 - 32 µm.
- On constate ainsi que le magnésium a pour effet de diviser la taille des grains de silicium primaire par un facteur 2 environ.
- A partir d'un bain d'AS17U4G, à une température de 780°C auquel on a ajouté du cuprophosnhore à 15 Z de phosphore, de manière à atteindre une teneur en phosphore de 700 ppm, on a prélevé une certaine quantité de liquide pour le couler sous forme d'éprouvettes de traction. Après solidification, la taille des cristaux de silicium Drimaire observée sur ces éprouvettes dépassait 50 µm.
- Au bain restant, on a ajouté 0,6 Z de magnésium et prélevé immédiatement, après introduction et fusion de ce dernier, d'autres éprouvettes ; celles-ci présentaient, après solidification, une taille de orains de 30 pm confirmant ainsi le rôle du magnésium comme élément d'affinage.
- La présente invention trouve son application dans l'affinage des alliages d'aluminium hypereutectiques et présente un grand intérêt, notamment lorsque ces alliages sont destinés à la fabrication de chemises de moteurs à combustion interne ou de tout autre pièce soumise à des frottements.
Claims (3)
1°/ Procédé d'affinage du silicium primaire d'alliages d'aluminium-silicium hypereutectiques au moyen de produits à base de phosphore et de magnésium caractérisé en ce que l'on ajoute le produit à base de magnésium à un alliage préaffiné par le produit à base de phosphore et ce immédiatement avant la coulée.
2°/ Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce Que le produit à base de magnésium est ajouté moins de trente minutes avant la coulée.
3°/ Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de produit à base de magnésium ajoutée est telle Qu'elle permet d'atteindre, dans l'alliage final, une teneur en magnésium de 500 ppm au moins.
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