EP0362086A1 - Procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium gardant une bonne résistance à la fatigue après un maintien prolongé à chaud - Google Patents
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- C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
Definitions
- the present invention relates to a process for manufacturing parts made of aluminum alloy retaining good resistance to fatigue after prolonged keeping hot.
- EP 144898 teaches an aluminum alloy containing by weight 10 to 36% of silicon, 1 to 12% of copper, 0.1 to 3% of magnesium and 2 to 10% of at least one element chosen from the group Fe, Ni, Co, Cr and Mn.
- This alloy is applicable to the manufacture of parts intended for both the aeronautical and automotive industries, said parts being obtained by the technique of powder metallurgy comprising, in addition to shaping by compacting and spinning, an intermediate processing step thermal between 250 and 550 ° C.
- the present invention which consists of a process for manufacturing aluminum alloy parts retaining good resistance to fatigue after prolonged hot keeping which contain by weight 11 to 26% of silicon, 2 to 5% of iron , 0.5 to 5% copper, 0.1 to 2% magnesium and optionally minor additions of nickel and / or cobalt and which are characterized in that they also contain 0.1 to 0.4% of zirconium and 0.5 to 1.5% of manganese.
- manganese has been substituted for part of the zirconium, which on the one hand allows savings on raw materials: manganese being cheaper than zirconium , on the other hand facilitates the conditions of melting of the alloy since a binary alloy containing 1% of zirconium has a liquidus temperature of 875 ° C whereas if it is 1% of manganese this temperature remains close 660 ° C.
- the invention is also characterized in that the alloy is subjected in the molten state to a rapid solidification means before putting it in the form of parts.
- the alloy is preferably melted at a temperature above 700 ° C so as to avoid any phenomenon of premature precipitation.
- the parts after being possibly subjected to machining, are heat treated between 490 and 520 ° for 1 to 10 hours, then quenched in water before undergoing a tempering treatment between 170 and 210 ° C for 2 to 32 hours, which improves their mechanical characteristics.
- the powder metallurgy (PM) range includes atomization in a nitrogen atmosphere of particles with a particle size less than 200 ⁇ m , then compacting at 300 MPa in an isostatic press, followed by spinning in the form of bars of diameter 40 mm
- the spray deposition range (SD) uses the technique of GB 1379261 and makes it possible to obtain a deposit in the form of a cylindrical billet which is then transformed into a bar with a diameter of 40 mm by spinning.
- the zirconium-manganese combination in limited quantities and the rapid solidification of the alloy obtained contribute to improving the resistance to fatigue, whether cold or hot, of parts liable to exhibit irregularities. surface like threads or connection curves and which find their application in the automobile industry, in particular in the confection of rods, axes of pistons and pistons.
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Abstract
Description
- La présente invention est relative à un procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium gardant une bonne résistance à la fatigue après un maintien prolongé à chaud.
- On sait que l'aluminium a notamment pour propriétés d'être trois fois plus léger que l'acier et d'avoir une bonne résistance à la corrosion. En l'alliant à des métaux tels que le cuivre et le magnésium, on améliore fortement sa résistance mécanique. Par ailleurs, l'ajout de silicium donne un produit ayant une bonne résistance à l'usure. Ces alliages dopés avec d'autres éléments tels que le fer, le nickel, le cobalt, le chrome et le manganèse, voient leur tenue à chaud améliorée. Un compromis entre ces éléments d'addition fait de l'aluminium un matériau de choix pour la fabrication de pièces pour automobiles telles que bloc-moteur, piston, cylindre, etc ...
- C'est ainsi que l'EP 144898 enseigne un alliage d'aluminium contenant en poids 10 à 36% de silicium, 1 à 12% de cuivre, 0,1 à 3% de magnésium et 2 à 10% d'au moins un élément choisi dans le groupe Fe, Ni, Co, Cr et Mn.
- Cet alliage est applicable à la confection de pièces destinées aussi bien à l'industrie aéronautique qu'automobile, lesdites pièces étant obtenues par la technique de la métallurgie des poudres comportant, outre la mise en forme par compactage et filage, une étape intermédiaire de traitement thermique entre 250 et 550°C.
- Si ces pièces répondent bien aux différentes propriétés énoncées ci-desssus, il en est une qui n'a pas été prise en compte, à savoir la tenue à la fatigue.
- L'homme de l'art sait que la fatigue correspond à un changement permanent, localisé et progressif de la structure métallique qui se produit dans les matériaux soumis à une succession de contraintes discontinues et qui peut entraîner des fissures et même des ruptures des pièces après une application desdites contraintes suivant un nombre de cycles plus ou moins grand et ce alors que leur intensité est le plus souvent nettement inférieure à celle qu'il faut appliquer au matériau de façon continue pour obtenir une rupture par traction. C'est pourquoi les valeurs de module d'élasticité, de résistance à la traction, de dureté énoncées dans l'EP 144898 ne peuvent rendre compte de l'aptitude de l'alliage à la résistance à la fatigue.
- Or, il est important pour des pièces telles que les bielles ou les axes de piston, par exemple, qui travaillent en dynamique et qui sont soumises à des efforts périodiques, de présenter une bonne tenue à la fatigue.
- C'est pourquoi la demanderesse s'étant penchée sur ce problème a certes constaté que les pièces fabriquées à partir des alliages entrant dans le cadre du document sus-mentionné présentaient une résistance à la fatigue qui pouvait convenir à certaines applications mais, qu'il était possible d'améliorer notablement cette propriété en modifiant leur composition. C'est dans ce but qu'elle a mis au point des pièces en alliages d'aluminium contenant en poids 11 à 22% de silicium, 2 à 5% de fer, 0,5 à 4% de cuivre, 0,2 à 1,5% de magnésium caractérisées en ce qu'elles contiennent également 0,4 à 1,5% de zirconium.
- Cette invention a d'ailleurs fait l'objet de la demande de brevet français n°87-17674.
- Toutefois, la demanderesse s'est aperçue que si le zirconium apportait une amélioration sensible du point de vue de la limite de fatigue à 20°C, puisque celle-ci passait de 150 à 185 MPa, par contre, après un maintien de 1000 heures à 150°C (ce qui représente en gros les conditions de travail d'une bielle à mi-vie d'un moteur), cette limite chutait à 143 MPa, soit une réduction de plus de 22%.
- Poursuivant ses travaux, elle a trouvé qu'on pouvait remédier à cet inconvénient en combinant à l'action du zirconium celle du manganèse.
- D'où la présente invention qui consiste en un procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium gardant une bonne résistance à la fatigue après un maintien prolongé à chaud qui contiennent en poids 11 à 26% de silicium, 2 à 5% de fer, 0,5 à 5% de cuivre, 0,1 à 2% de magnésium et éventuellement des additions mineures de nickel et/ou de cobalt et qui sont caractérisées en ce qu'elles contiennent également 0,1 à 0,4% de zirconium et 0,5 à 1,5% de manganèse.
- Ces fourchettes encadrent les valeurs d'ajout de zirconium et de manganèse en dessous desquelles l'effet n'est pas significatif et au-dessus desquelles soit l'ajout du zirconium n'a plus d'influence déterminante, soit l'ajout de manganèse conduit à une fragilisation de la pièce et à une chute de la limite de fatigue d'une pièce entaillée, c'est-à-dire présentant des irrégularités de surface telles que pas de vis, rayons de raccordement, etc ...
- Ainsi, par rapport à la composition décrite dans la demande de brevet sus-mentionnée, on a substitué le manganèse à une partie du zirconium, ce qui d'une part permet une économie sur les matières premières : le manganèse étant meilleur marché que le zirconium, d'autre part facilite les conditions de fusion de l'alliage puisqu'un alliage binaire contenant 1% de zirconium a une température de liquidus de 875°C alors que s'il s'agit de 1% de manganèse cette température reste voisine de 660°C.
- Toutefois, outre la composition particulière de l'alliage mis en oeuvre, l'invention est également caractérisée en ce que l'on soumet l'alliage à l'état fondu à un moyen de solidification rapide avant de le mettre sous forme de pièces. En effet, comme les éléments tels que le fer, le zirconium et le manganèse sont très peu solubles dans l'alliage, il est indispensable pour obtenir des pièces répondant aux caractéristiques souhaitées d'éviter une précipitation grossière et hétérogène de ces éléments ce qu'on réalise en les refroidissant le plus rapidement possible. En outre, l'alliage est de préférence fondu à une température supérieure à 700°C de manière à éviter tout phénomène de précipitation prématurée.
- Il existe plusieurs façons d'opérer cette solidification rapide :
- 1) On divise l'alliage fondu sous forme de fines gouttelettes
- soit par atomisation du métal fondu à l'aide d'un gaz ou par atomisation mécanique suivie d'un refroidissement dans un gaz (air, hélium, argon).
- soit par pulvérisation centrifuge ou autre procédé apparenté.
Cela conduit à des poudres de granulométrie inférieure à 400 µm qui sont ensuite, suivant les techniques bien connues de la métallurgie des poudres, mises en forme par compactage à froid ou à chaud dans une presse uniaxiale ou isostatique puis filage et/ou forgeage ; - 2) On projette l'alliage fondu contre une surface métallique refroidie, suivant par exemple les techniques désignées par les Anglo-Saxons sous l'expression "melt spinning" ou "planar flow casting" et dont on trouve des descriptions dans les brevets US 4389258 et EP 136508, ou encore "melt overflow" et les techniques apparentées. On génère ainsi des rubans d'épaisseur inférieure à 100 µm qui sont ensuite mis en forme comme ci-dessus ;
- 3) On projette l'alliage fondu atomisé dans un courant de gaz contre un substrat, suivant par exemple les techniques encore appelées "spray deposition" ou "spray casting" dont une description est donnée dans le brevet GB 1379261 et qui conduit à un dépôt cohérent suffisamment malléable pour être mis en forme par forgeage, filage ou matriçage.
- Cette liste est bien entendu non exhaustive.
- Afin d'affiner davantage la structure de précipitation, les pièces après avoir été soumises éventuellement à un usinage sont traitées thermiquement entre 490 et 520° pendant 1 à 10 heures, puis trempées à l'eau avant de subir un traitement de revenu entre 170 à 210°C pendant 2 à 32 heures, ce qui améliore leurs caractéristiques mécaniques.
- L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples d'application suivants : une masse d'alliage de base, contenant en poids 18% de silicium, 3% de fer, 1% de cuivre, 1% de magnésium, solde aluminium a été fondue vers 900°C puis partagée en 8 lots numérotés de 0 à 7.
- Aux lots 1 à 7 on a ajouté différentes quantités de zirconium et de manganèse, le lot 0 servant de témoin.
Puis ces lots ont été traités soit par la métallurgie des poudres, soit par spray deposition :
- la gamme métallurgie des poudres (PM) comprend une atomisation dans une atmosphère d'azote de particules de granulométrie inférieure à 200 µm, puis un compactage sous 300 MPa dans une presse isostatique, suivi d'un filage sous forme de barres de diamètre 40 mm
-la gamme spray deposition (SD) utilise la technique du GB 1379261 et permet d'obtenir un dépôt sous forme d'une billette cylindrique qui est ensuite transformée en barre de diamètre 40 mm par filage. - Ces pièces sont ensuite traitées pendant 2 heures entre 490 et 520°C puis trempées à l'eau et soumises pendant 8 heures à une température comprise entre 170 et 200°C.
Sur des éprouvettes de chacune de ces pièces, on a mesuré suivant des techniques bien connues de l'homme de l'art les caractéristiques suivantes :
- le module d'Young E en GPa
- la limite élastique conventionnelle à 0,2% : R0,2 en MPa, la charge de rupture Rm en MPa, l'allongement A en %, ces mesures étant faites à 20°C puis à 150°C après 100 heures de maintien
- la limite de fatigue à 20°C au bout de 10⁷ cycles, Lf en MPa, sur des éprouvettes lisses à l'état T6 suivant les normes de l'Aluminium Association et sollicitées par flexion rotative
- la même mesure que précédemment mais après un maintien de l'éprouvette pendant 1000 heures à 150°C
- le rapport d'endurance Lf/Rm à 20°C
- la limite de fatigue à 20°C comme ci-dessus mais sur éprouvette entaillée avec Kt = 2,2
- le coefficient de sensibilité à l'entaille -
- De ces mesures, on déduit que si la limite de fatigue après maintien de 1000 heures à 150°C est de 120 MPa pour un alliage ne contenant ni zirconium, ni manganèse (N°=0), l'ajout de 1% de zirconium (N°=1) fait passer cette caractéristique à 148 MPa et l'ajout simultané de zirconium et de manganèse avec une quantité moindre de zirconium (N°=5) permet d'atteindre une valeur de 177 MPa.
- De plus, la présence simultanée de zirconium et de manganèse permet d'atténuer fortement la dégradation de la limite de fatigue qui se produit après maintien à 150°C. En effet, avec l'alliage N°=1 sans manganèse, Lf passe de 185 à 143 MPa soit une dégradation de 42 MPa, alors qu'avec l'alliage N°=5 contenant 1,2% de manganèse, Lf passe de 193 à 177 MPa soit une dégradation de 16 MPa, valeur beaucoup plus faible que la précédente.
- Ces mesures montrent également que ces éléments améliorent la limite de fatigue sur pièces entaillées mais que leur présence en trop grandes quantités contribue à dégrader cette caractéristique et à augmenter la fragilité. Ainsi, la valeur de cette limite passe de 100 MPa pour l'éprouvette N°=0 à 125 MPapour l'éprouvette N°=3 (0,1% Zr - 0,6% Mn) mais chute à 105 MPa pour l'éprouvette N°=7 plus chargée en zirconium et en manganèse.
- On constate ainsi que la présence simultanée de zirconium et de manganèse dans les proportions de l'invention (alliages n°5, 4, 3, 6) conduit à un coefficient de sensibilité à l'entaille plus faible (0,51-0,48-0,43-0,51) que pour les alliages de l'art antérieur où le coefficient avoisine 0,6 mis à part l'alliage n°=0 qui par ailleurs n'est pas utilisable en raison de sa trop faible résistance mécanique.
- Ainsi suivant l'invention, la combinaison zirconium-manganèse en quantités limitées et la solidification rapide de l'alliage obtenu contribuent-t-elles à améliorer la tenue à la fatigue que ce soit à froid ou à chaud de pièces susceptibles de présenter des irrégularités de surface comme des pas de vis ou des courbes de raccordement et qui trouvent leur application dans l'industrie automobile, notamment dans la confection de bielles, d'axes de pistons et de pistons.
Claims (5)
-l'on met en oeuvre un alliage contenant également 0,1 à 0,4% de zirconium et 0,5 à 1,5% de manganèse,
-l'on soumet l'alliage à l'état fondu à un moyen de solidification rapide,
-l'on met le produit obtenu sous forme de pièces.
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