EP0265307B1 - Procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié obtenu à partir de poudres refroidies à très grande vitesse de refroidissement - Google Patents

Procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié obtenu à partir de poudres refroidies à très grande vitesse de refroidissement Download PDF

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EP0265307B1
EP0265307B1 EP87402094A EP87402094A EP0265307B1 EP 0265307 B1 EP0265307 B1 EP 0265307B1 EP 87402094 A EP87402094 A EP 87402094A EP 87402094 A EP87402094 A EP 87402094A EP 0265307 B1 EP0265307 B1 EP 0265307B1
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powders
die
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conditioning
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Michel André Lochon
Bernard Serole
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Automobiles Peugeot SA
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    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408—Light metal alloys
    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/006—Amorphous articles
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
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    • B22F9/008—Rapid solidification processing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium

Definitions

  • the invention relates to a method for manufacturing parts of hypersilicon aluminum alloy whose composition by weight is included in the following ranges: Fe 0.5 to 5% Zn 0 to 0.5% Ni 0.5 to 5% Ti 0 to 0.3% P 0 to 1% If 19 to 30% Mo 0.5 to 2% Pb 0 to 0.2% Co 0.5 to 5% Cu 0.5 to 3% Mn 0.2 to 1% Sn 0 to 0.5% Mg 0 to 1.5%
  • the various additives involved in this composition exercise the following functions.
  • Si hardens reduces the coefficient of expansion, increases resistance to wear and improves friction, strengthens the structure and raises the elastic modulus.
  • Zn, Cu, Mg, Fe are hardeners.
  • Co, Ti, Mo, P are refiners. Sn improves friction.
  • the alloy thus defined has a low density, a low coefficient of expansion and good mechanical characteristics. It finds applications in hot and moving parts of automobile engines such as pistons, liners, connecting rods, piston pins, cylinder head insert, etc.
  • Silicon crystals when they are too large have obvious drawbacks for the machinability, the homogeneity and the mechanical characteristics of the parts.
  • the process which is the subject of the invention makes it possible to produce parts of hypersilicon aluminum alloy comprising silicon crystals of size less than 1 ⁇ m, ie 1 thousandth of a millimeter or silicon in the state of solid solution.
  • Processes are known for manufacturing hypersilicon aluminum alloy parts using the techniques of powder metallurgy. These techniques consist of transforming the alloy ingots into powder by centrifugation and atomization. The powder grains whose dimensions are of the order of 500 ⁇ m cool faster than the ingots so that the silicon crystals have dimensions ranging from 5 to 25 ⁇ m. When the powders are forged or hot spun, the grains grow in a ratio 2 and reach 10 to 50 ⁇ m.
  • the process which is the subject of the invention defines, on the one hand, means for obtaining a powder whose grain dimensions vary from 0 to 120 ⁇ m with silicon crystals less than 1 ⁇ m or silicon in solid solution; and on the other hand, means for extruding parts from this powder without enlarging the silicon crystals.
  • the method according to the invention comprises the following steps.
  • the alloy is melted and brought to a temperature higher than the melting temperature of about 80 to 180 ° C so as to obtain an appropriate viscosity.
  • a jet is formed from the liquid which passes through a calibrated nozzle. The jet is then taken into account by a supersonic nozzle where it is subjected to zones of acceleration and zones of depression caused by jets of inert gases under high pressure.
  • the metal particles are super-cooled by contact with a gas under high pressure or a solid.
  • the cooling rate varies between 106 and 108 ° C / s.
  • a powder is thus obtained, the grain sizes of which vary from 0 to 50 ⁇ m or from 0 to 120 ⁇ m depending on the parameters.
  • the powder obtained according to the method described above with a cooling rate greater than 106 ° C / s comprises grains of silicon of less than 1 ⁇ m or of silicon in the state of solid solution.
  • Powder production takes place in an airtight double-walled enclosure to prevent oxidation.
  • the powder thus obtained is collected in an aluminum or alloy container with a very thin wall without precompression, under vacuum.
  • Extrusion is then carried out in a die by exclusively heating the tool to a temperature at most equal to 350 ° C.
  • the powder with its pot are jointly engaged in the die and extruded into tubes or bars.
  • the pot which is made of pure aluminum or of an alloy produced by the same process does not introduce any disturbance in the composition of the alloy and above all does not introduce silicon grains of dimension greater than 1 ⁇ m.
  • the size of the pot is chosen for a reduction coefficient in the sector between 10 and 20 preferably for a reduction coefficient of 13.
  • composition Al 72% Si: 22% Cu: 1.5% Ni: 1.5% Co: 1% Mg: 0.35% Fe: 0.35% Mn: 0.45% other 0.85% Vickers hardness (HV: 5kg) 130

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Description

  • L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié dont la composition en poids est comprise dans les fourchettes suivantes :
    Fe 0,5 à 5 % Zn 0 à 0,5% Ni 0,5 à 5 % Ti 0 à 0,3 % P 0 à 1 %
    Si 19 à 30 % Mo 0,5 à 2 % Pb 0 à 0,2 % Co 0,5 à 5 %
    Cu 0,5 à 3 % Mn 0,2 à 1% Sn 0 à 0,5 % Mg 0 à 1,5 %
    Les différents additifs intervenant dans cette composition exerçent les fonctions suivantes.
  • Le Si durcit, réduit le coefficient de dilatation, augmente la résistance à l'usure et améliore le frottement, renforce la structure et relève le module élastique.
    Zn, Cu, Mg, Fe sont des durcisseurs.
    Co, Ti, Mo, P sont des affinants.
    Sn améliore le frottement.
  • Le procédé est défini de façon plus précise dans les revendications annexées.
  • L'alliage ainsi défini présente une faible densité, un faible coefficient de dilatation et de bonnes caractéristiques mécaniques. Il trouve des applications dans les pièces chaudes et en mouvement des moteurs automobiles telle que pistons, chemises, bielles, axes de pistons, insert de culasse etc...
  • On sait que l'eutectique de l'alliage Al - Si se situe aux environs de 12 % de silicium et que le surplus de silicium cristallise en général pendant la solidification et le refroidissement, sous forme de cristaux de silicium très durs qui sont d'autant plus gros que la vitesse de refroidissement est plus faible.
  • Les cristaux de silicium quand ils sont trop gros présentent des inconvénients évidents pour l'usinabilité, l'homogénéité et les caractéristiques mécaniques des pièces.
  • Le procédé qui fait l'objet de l'invention permet de réaliser des pièces en alliage d'aluminium hypersilicié comportant des cristaux de silicium de taille inférieure à 1 µm soit 1 millième de millimètre ou du silicium à l'état de solution solide.
  • On connait des procédés de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié utilisant les techniques de la métallurgie des poudres. Ces techniques consistent à transformer les lingots d'alliage en poudre par centrifugation et atomisation. Les grains de poudre dont les dimensions sont de l'ordre de 500 µm refroidissent plus vite que les lingots de telle sorte que les cristaux de silicium ont des dimensions allant de 5 à 25 µm. Lorsque les poudres sont forgées ou filées à chaud les grains grossissent dans un rapport 2 et atteignent 10 à 50 µm.
  • Le procédé qui fait l'objet de l'invention définit d'une part des moyens pour obtenir une poudre dont les dimensions des grains varient de 0 à 120 µm avec des cristaux de silicium inférieurs à 1 µm ou de silicium en solution solide ; et d'autre part des moyens pour extruder des pièces à partir de cette poudre sans grossir les cristaux de silicium.
  • Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes.
  • On fait fondre l'alliage et on le porte à une température plus élevée que la température de fusion d'environ 80 à 180° C de manière à obtenir une viscosité appropriée. On forme à partir du liquide un jet qui traverse une buse calibrée. Le jet est ensuite pris en compte par une tuyère supersonique où il est soumis à des zones d'accélération et des zones de dépression provoquées par des jets de gaz inertes sous hautes pression.
  • Les particules métalliques sont sur-refroidies par contact avec un gaz sous haute pression ou un solide . La vitesse de refroidissement varie entre 10⁶ et 10⁸° C/s. On obtient ainsi une poudre dont les dimensions de grains varient de 0 à 50 µm ou de 0 à 120 µm selon les paramètres.
  • La poudre obtenue selon le procédé décrit ci-dessus avec une vitesse de refroidissement supérieure à 10⁶ ° C/s comporte des grains de silicium de moins de 1 µm ou de silicium à l'état de solution solide.
  • La production de poudre s'effectue dans une enceinte hermétique à double parois afin d'éviter l'oxydation.
  • La poudre ainsi obtenue est recueillie dans un récipient en aluminium ou alliage à paroi très fine sans précompression, sous vide.
  • On procède ensuite à l'extrusion dans une filière en chauffant exclusivement l'outil à une température au plus égale à 350°C. La poudre avec son pot sont engagés conjointement dans la filière et extrudés en tubes ou en barres. Le pot qui est en aluminium pur ou en alliage réalisé par le même procédé n'introduit pas de perturbation dans la composition de l'alliage et surtout n'introduit pas de grains de silicium de dimension supérieure à 1 µm . La dimension du pot est choisie pour un coefficient de réduction dans la filière compris entre 10 et 20 préférentiellement pour un coefficient de réduction de 13.
  • On peut citer à titre d'exemple les caractéristiques mécaniques et physiques obtenues pour un alliage à l'état brut de filage à la température ambiante.
    composition Al : 72 % Si : 22 % Cu : 1,5 % Ni : 1,5 % Co : 1 % Mg : 0,35% Fe : 0,35% Mn : 0,45% autres 0,85%
    Dureté Vickers (HV : 5kg) 130
    Résistance à la traction (Rm) 450 M Pa
    Limite élastique (Re) 400 M Pa
    Module élastique (E) 82000 M Pa
    Allongement à la rupture (A %) 2
    Fatigue en flexion rotative (σc à 10⁸ cycles) 180 MPa
    Coefficient de dilatation entre 20 et 300° C ≦ 17,5x10⁻⁶ m/m/°k
    résilience : 8 Joules/cm2

Claims (4)

  1. Procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié de composition
    Figure imgb0001
    ce procédé compartant:
    - une opération d'atomisation pour transformer les lingots en poudre après fusion et écoulement du jet liquide à travers une buse calibrée;
    - une opération de récupération des poudres;
    - une opération d'extrusion à travers une filière,
    et caractérisé en ce que:
    - l'atomisation du jet liquide à travers la buse calibrée comporte le passage du jet dans une tuyère supersonique où il est soumis à des zones d'accélération et des zones de dépression provoquées par des jets de gaz inertes sous pression et une opération de refroidissement à la vitesse de 10⁶ à 10⁸ °C/seconde par un contact forcé particule/gaz sous haute pression ou particule/solide;
    - la récupération des poudres comporte une opération de conditionnement sous vide, sans compression préalable des poudres;
    - l' extrusion est effectuée dans une filière dont seul l'outil est préchauffé.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conditionnement sous vide sans compression préalable des poudres est réalisé dans des pots à parois fines, en aluminium ou en alliage.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrusion est effectuée en engageant conjointement la poudre avec son pot dans une filière dont seul l'outil est préchauffé à une température au plus égale à 350°C.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pots de conditionnement sont dimensionnés pour réduction par la filière comprise entre 10 et 20.
EP87402094A 1986-09-22 1987-09-21 Procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié obtenu à partir de poudres refroidies à très grande vitesse de refroidissement Expired - Lifetime EP0265307B1 (fr)

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