EP0196984B1 - Alliages amorphes à base d'aluminium contenant essentiellement du nickel et du silicium et procédé pour leur fabrication - Google Patents

Alliages amorphes à base d'aluminium contenant essentiellement du nickel et du silicium et procédé pour leur fabrication Download PDF

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EP0196984B1
EP0196984B1 EP86420062A EP86420062A EP0196984B1 EP 0196984 B1 EP0196984 B1 EP 0196984B1 EP 86420062 A EP86420062 A EP 86420062A EP 86420062 A EP86420062 A EP 86420062A EP 0196984 B1 EP0196984 B1 EP 0196984B1
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C45/00—Amorphous alloys
    • C22C45/08—Amorphous alloys with aluminium as the major constituent

Definitions

  • the invention relates to alloys based on AI, essentially containing Ni and / or Fe, Si as main alloying elements obtained in the essentially amorphous state, by relatively rapid solidification.
  • essentially amorphous is meant an alloy in which the crystallized volume fraction is at most equal to 25%.
  • alloys according to the invention contain (in atom%): (Ni) can be partially substituted by Fe up to 10% by V or B (up to 5 at.%) or completely by Mn (up to 22% at.%), the rest being consisting of AI and the usual processing impurities.
  • the alloys preferably contain: manganese being limited to 5 at. %.
  • alloys exhibit a set of remarkable properties in the amorphous or essentially amorphous state as well as in the microcrystallized state obtained by annealing of the amorphous or essentially amorphous state. These properties result from the introduction of a large quantity of alloying elements without rhedibitory effects of segregation or of the formation of fragile intermetallic phases of dimensions greater than 10 ⁇ m.
  • the unique combination of compositions and structures thus obtained gives these alloys high hardnesses, excellent heat stability for long-term annealing as well as special tribological properties.
  • a consolidation process consists of grinding the ribbons obtained by casting on a wheel, sieving below 100 ⁇ m, hot compression between 350 and 400 ° C and hot spinning around 400-450 ° C. It is thus possible to obtain massive products.
  • FIG. 5 shows the evolution of the Vickers microhardness under 10 g of the ribbons measured at 20 ° C. after isothermal annealing for one hour at different temperatures.
  • crystallization is accompanied by a significant increase in hardness.
  • the high levels of microhardness obtained (300 HV to 560 HV).
  • the alloy consists of micrograins of AI, of Si and of phase AI 3 Ni orthorhombic equilibrium.
  • the optical and transmission electron microscopy examinations show that after maintaining one hour at 400 ° C, the average grain size is between 0.05 ⁇ m and 0.5 ⁇ m. This very fine microcrystalline structure can only be obtained for such compositions by annealing an amorphous alloy and gives the alloy both mechanical strengths and high ductilities.
  • the essentially amorphous alloy according to the invention therefore exhibits very good friction and abrasion behavior.

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  • Catalysts (AREA)
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  • Silicon Compounds (AREA)

Description

  • L'invention se rapporte à des alliages à base d'AI, contenant essentiellement du Ni et/ou du Fe, du Si comme éléments d'alliages principaux obtenus à l'état essentiellement amorphe, par solidification relativement rapide. Par essentiellement amorphe, on entend un alliage dans lequel la fraction volumique cristallisée est au plus égale à 25 %.
  • Bien que les alliages amorphes à base d'AI soient déjà connus de façon globale (voir la demande de brevet français n° 2 529 909), leur obtention pratique et industrielle se heurte à de grandes difficultés, en raison des paramètres de fabrication extrêmement étroits à respecter pour l'obtention de la structure essentiellement amorphe.
  • Ces paramètres sont principalement l'intervalle de température « de trempe depuis l'état liquide ainsi que la vitesse minimale de solidification.
  • Le développement industriel de tels alliages est donc conditionné par la sélection d'alliages présentant un intervalle de trempe suffisamment large (environ 100°C entre la température de l'alliage liquide et le liquidus de celui-ci) et des vitesses de solidification pas trop rapides (de l'ordre de 10 4 K/sec.).
  • Seul un petit nombre d'alliages selon l'invention répond à ces objectifs. Ces alliages contiennent (en atome %) :
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    le (Ni) pouvant être partiellement substitué par le Fe jusqu'à 10 % par le V ou le B (jusqu'à 5 at. %) ou totalement par le Mn (jusqu'à 22 % at. %), le reste étant constitué d'AI et des impuretés d'élaboration habituelles.
  • Les alliages contiennent de préférence :
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    Figure imgb0006
    le manganèse étant limité à 5 at. %.
  • Dans ces conditions, il est possible d'obtenir des alliages industriels amorphes de façon reproductible.
  • Ces alliages présentent un ensemble de propriétés remarquables dans l'état amorphe ou essentiellement amorphe aussi bien que dans l'état microcristallisé obtenu par recuit de l'état amorphe ou essentiellement amorphe. Ces propriétés résultent de l'introduction d'une quantité importante d'éléments d'alliage sans effets rhédibitoires de ségrégation ou de formation de phases intermétalliques fragiles de dimensions supérieures à 10 µm. La combinaison unique des compositions et des structures ainsi obtenue confère à ces alliages des duretés élevées, une excellente stabilité à chaud pour des recuits de longue durée ainsi que des propriétés tribologiques particulières.
  • La possibilité d'obtenir des structures essentiellement amorphes pour des vitesses de solidification de l'ordre de 104 K/sec. permet d'utiliser différents procédés d'obtention de ces alliages. C'est ainsi qu'outre les procédés de trempe rapide sur roue ou d'atomisation gazeuse on peut utiliser un dépôt plasma de poudres préalliées sur un substrat métallique (ou bon conducteur de la chaleur tel que le graphite) ou encore le nickelage superficiel chimique ou électrochimique d'un alliage d'AI contenant du Si (type AS), de préférence entre 10 et 25 % de Si, suivi d'une fusion du dépôt de nickel et d'une partie du substrat au moyen d'une source de chaleur concentrée et localisée telle que laser, torche plasma, chauffage HF, torche TIG, etc...
  • Un procédé de consolidation consiste en un broyage des rubans obtenus par coulée sur roue, en un tamisage au-dessous de 100 µm, une compression à chaud entre 350 et 400 °C et en un filage à chaud vers 400-450 °C. Il est ainsi possible d'obtenir des produits massifs.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples décrits ci-après et des figures suivantes :
    • - Les figures 1 à 3 donnent respectivement les diagrammes de diffraction aux rayons X, d'un alliage amorphe, essentiellement amorphe (environ 20 % à l'état cristallisé) et microcristallin.
    • - La figure 4 représente les limites de composition des alliages AI Ni Si, selon l'invention.
    • - La figure 5 représente l'évolution des microduretés Vickers de deux alliages initialement amorphes : Al70Ni15Si12Mn13 et Al70Ni15Si15 après des maintiens d'une heure à diverses températures.
    • - La figure 6 est un diffractogramme de l'alliage Al70Ni15Si15 déposé par plasma atmosphérique et obtenu avec la radiation Cu Ka.
    • - La figure 7 représente les pertes de poids (Δ°) observées sur un revêtement Al70Ni15Si15 comparativement à un alliage A-S17U4G, reconnu comme résistant à l'usure, en fonction du nombre de cycles (N) sur abrasimètre TABER.
    Exemple 1
  • Le Tableau 1 rassemble des exemples de compositions d'alliages amorphes définies dans le cadre de la présente invention et obtenues sous forme de rubans de 20 µm d'épaisseur par trempe sur une roue de Cu, la vitesse linéaire d'éjection du ruban étant de 60 ms-1. La cristallisation de ces alliages a été étudiée par analyse enthalpique différentielle, par rayons X, par microscopie électronique en transmission et par mesures de microduretés. La température du 1er pic de cristallisation est reportée au Tableau 1 pour chaque composition. Ainsi, pour l'alliage Al70Ni15Si15 cette température est de 190 °C alors qu'elle est de 295 °C pour l'alliage Al70Ni15Si12Mn3. Pour les alliages ternaires (AI,Ni,Si), cette température augmente :
    • a) à teneur en AI constante, pour des teneurs croissantes en Ni
    • b) pour des teneurs croissantes d'éléments d'alliage (Ni + Si).
  • La figure 5 montre l'évolution de la microdureté Vickers sous 10 g des rubans mesurée à 20 °C après des recuits isothermes d'une heure à différentes températures. De façon générale, la cristallisation s'accompagne d'une importante augmentation de la dureté.. On notera les niveaux élevés de microdureté obtenus (300 HV à 560 HV). Après recuit d'une heure à 200 °C, l'alliage Al70Ni13Si17 présente une cristallisation abondante d'une nouvelle phase intermétallique métastable de structure hexagonale (a = 0,664 nm, c = 0,377 nm) avec un début de cristallisation de l'AI. Après une heure à 300 °C l'alliage est constitué de micrograins d'AI, de Si et de phase AI3Ni orthorhombique d'équilibre.
  • Les examens en microscopie optique et électronique en transmission montrent qu'après maintien d'une heure à 400 °C, la taille moyenne des grains est comprise entre 0,05 µm et 0,5 µm. Cette structure microcristalline très fine ne peut être obtenue pour de telles compositions que par recuit d'un alliage amorphe et confère à l'alliage à la fois des résistances mécaniques et des ductilités élevées.
  • Le tableau Il donne les distances interéticulaires et les angles 6 de diffraction X (radiation Ka du Cu) relatifs à la phase hexagonale rencontrée après trempe vers 200 °C dans un échantillon initialement amorphe de l'alliage Al70Si15Ni15 (a = 0,6611 nm, c = 0,3780 nm).
    • Exemple Il
  • Nous avons élaboré 20 kg de rubans Al70Ni15Si15 par trempe sur roue. Ces rubans ont été finement broyés et la poudre ainsi obtenue a été comprimée à chaud. Le lopin de compression à chaud a été filé à 450 °C avec un rapport de filage de 16 : 1. La barre filée a été caractérisée par traction à 20 °C, à 350 °C, à 450 °C et à 500 °C. Tous les essais de traction à chaud ont été réalisés après maintien de 10 heures à 350 °C. Les résultats obtenus sont réunis dans le tableau III. Jusqu'à 350 °C le matériau est très fragile et l'on observe des ruptures prématurées sur des défauts structuraux. Cependant, le niveau de charge de rupture à 350 °C reste très élevé. A 450 °C et 500 °C le comportement est totalement différent avec des allongements élevés indicatifs d'un comportement très ductile.
    • Exemple III
  • L'alliage Al70Ni15Si15 a été élaboré par trempe sur roue et broyé. La poudre obtenue a été projetée au moyen d'un plasma atmosphérique sur un substrat en alliage A-S5U3, ce qui conduit à une vitesse de solidification voisine de 104 K/sec. Le dépôt obtenu est à 75% amorphe d'après un étalonnage semi- quantitatif aux rayons X (voir figure 6). La microdureté du dépôt est de 500 Vickers. Le comportement de ce dépôt à l'abrasion comparativement à celle d'un alliage A-S17U4G non revêtu, connu pour sa résistance à l'abrasion, a été étudié sur abrasimètre TABER dans les conditions suivantes :
    • - meule type C5 17
    • - charge appliquée : 1 250 g.

    avec mesure des pertes de poids au bout de 300, 500, 1 000, 2 000 et 4 000 cycles.
  • Les résultats obtenus sont reportés au Tableau IV et représentés graphiquement sur la figure 7.
  • On constate que l'alliage essentiellement amorphe selon l'invention présente donc un très bon comportement au frottement et à l'abrasion.
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
    Figure imgb0010
    Figure imgb0011

Claims (10)

1. Alliages à base d'Al obtenus à l'état essentiellement amorphe, par solidification rapide (de l'ordre de 104 K/sec) à partir d'un intervalle de température de coulée situé à 100°C environ, au-dessus du liquidus de l'alliage considéré, caractérisés en ce qu'ils contiennent (en atome %) :
Figure imgb0012
Figure imgb0013
Figure imgb0014
le Ni pouvant être substitué partiellement par le Fe jusqu'à 10 %, par le V ou le B jusqu'à 5 at.% chacun ou totalement par le Mn jusqu'à 22 at.%, le reste étant constitué par de l'AI et les impuretés d'élaboration habituelles.
2. Alliages amorphes selon la revendication 1, caractérisés en ce qu'ils contiennent (en at.%) :
Figure imgb0015
Figure imgb0016
Figure imgb0017
le manganèse étant limité à 5 %.
3. Alliages selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisés en ce qu'ils contiennent, à l'état cristallisé, au voisinage du premier pic de cristallisation, une phase hexagonale métastable dont les paramètres cristallins sont voisins de a = 0.661 nm et c = 0.378 nm.
4. Alliages selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisés en ce qu'à l'état recuit, la grosseur de grain est comprise entre 0.05 et 0.5 µm.
5. Procédé d'obtention d'un alliage amorphe ou essentiellement amorphe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que :
- on revêt de nickel une pièce en AI Si contenant de préférence entre 10 et 25 at.% de Si.
- on fait subir au dépôt ainsi qu'au substrat adjacent une fusion locale au moyen d'une source de chaleur concentrée.
- on laisse refroidir naturellement la pièce ainsi revêtue.
6. Procédé d'obtention d'un alliage amorphe ou essentiellement amorphe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on utilise une projection sous plasma de poudre préalliée, sur un substrat métallique (ou bon conducteur de la chaleur).
7. Utilisation d'un alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que celui-ci est broyé à une granulométrie inférieure à 100 µm, compacté à chaud entre 350° et 400 °C et filé à chaud vers 400-450 °C.
8. Utilisation des alliages suivant l'une des revendications 1 à 5 ou obtenus par le procédé selon l'une des revendications 5, 6 ou 7 dans le domaine de la résistance au frottement et à l'abrasion.
9. Utilisation des alliages suivant l'une des revendications 1 à 5 ou obtenus par le procédé selon l'une des revendications 5, 6 ou 7, comme alliages résistant à chaud jusqu'à 400 °C environ.
EP86420062A 1985-02-27 1986-02-26 Alliages amorphes à base d'aluminium contenant essentiellement du nickel et du silicium et procédé pour leur fabrication Expired EP0196984B1 (fr)

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