EP1213367B1 - Procédé de fabrication de pièces en alliages légers, avec un refroidissement avant pressage - Google Patents

Procédé de fabrication de pièces en alliages légers, avec un refroidissement avant pressage Download PDF

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EP1213367B1
EP1213367B1 EP01402944A EP01402944A EP1213367B1 EP 1213367 B1 EP1213367 B1 EP 1213367B1 EP 01402944 A EP01402944 A EP 01402944A EP 01402944 A EP01402944 A EP 01402944A EP 1213367 B1 EP1213367 B1 EP 1213367B1
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pressing
forging
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mould
light alloy
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Arnault Marchal
Dominique Rezel
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Process Conception Ingenierie SA
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
    • B21J1/06—Heating or cooling methods or arrangements specially adapted for performing forging or pressing operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/002—Hybrid process, e.g. forging following casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D31/00—Cutting-off surplus material, e.g. gates; Cleaning and working on castings
    • B22D31/002—Cleaning, working on castings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—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

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing castings made of a light alloy, especially aluminum alloy.
  • Castings molded in a sand or metal mold have a coarse eutectic structure, porosities or inclusions and mainly gas inclusions, and a coarse surface condition.
  • the document FR-2,614,814 describes a method of this type in which the pressing operation is carried out cold or at low temperature, the matrix impressions having dimensions slightly smaller than those of the workpiece.
  • This additional step makes it possible to obtain castings exhibiting better mechanical performance, especially in terms of elongation and tensile strength.
  • the document EP-816 042 provides cooling and solidification of the piece in the mold, the molded part being then subjected to a heating step to obtain a partial liquefaction of the alloy, especially at a temperature between 500 and 550 ° C.
  • This reheating facilitates the flow of the crystals and thus provides a homogeneous distribution, which also contributes to improving the mechanical properties of the cast part obtained.
  • the object of the invention is to overcome these drawbacks by proposing a method which is very simplified compared to the methods currently used, this method also making it possible to obtain parts whose mechanical characteristics are optimized.
  • the invention relates to a method for manufacturing castings comprising the features set forth in claim 1.
  • the invention is therefore completely different from the processes currently used in which the parts are hot-pressed during molding or forging.
  • the parts are cold-pressed, as in the older techniques illustrated for example in the document FR-2614,814 and, in addition, the demolded part is cooled rapidly and thus undergoes a quench type treatment before pressing.
  • This rapid cooling makes it possible to obtain a piece of homogeneous structure, by dissolving the alloy resulting from the casting process.
  • the process according to the invention uses a particular property of light alloys, inter alia of aluminum, in the quenched state: these have a very good forging or forming ability due to an increase in their ductility.
  • a quenched light alloy casting has a ductile structure and can be cold formed.
  • the predetermination of the dimensions of the final part is easily achievable by means of a simple numerical modeling (calculation in the field of cold forging, according to the elasto-plastic behavior of the material without the need to take into account the thermal effect).
  • the part obtained by this type of forming has a dimensional accuracy and a surface condition, a structure of the material and a reduction of porosities or inclusions very significantly improved compared to a piece obtained by hot forging.
  • the surface condition can be appreciated by means of the roughness.
  • the measurements made on parts obtained by the process according to the invention gave a value of approximately 1.5 ⁇ m.
  • the roughness of a casting is between 8 and 10 ⁇ m while that obtained by a method of the type described in FIG. EP-199,365 or EP-955 113 is about 3 ⁇ m.
  • cold forging has another important advantage over hot forging, since it makes it possible to reduce the mass of metal needed to obtain the finished part.
  • the application of pressure is intended to move the material to close discontinuity areas due to inclusions.
  • burrs which are used in particular for the regulation of these flows during forging, are more important when hot than when cold.
  • Table 1 Process used Process according to the invention Process of the type EP-955 113 Thickness of the burr required for forging 0 to 4 mm 3 to 5 mm Mass of metal needed to obtain the piece / mass of finished piece metal (milling induced by forging) 1 to 1.1 ⁇ 1.4
  • the method according to the invention therefore leads to savings in material when obtaining parts.
  • the part After pressing between the two imprints of the matrix, the part can be kept at room temperature. It is an aging treatment in a natural environment (maturation).
  • the metal alloy then tends to regain equilibrium, a phenomenon which is responsible for the structural hardening by maturation at room temperature.
  • the part is subjected to a treatment of income.
  • Such a treatment of income makes it possible to accelerate the return to equilibrium of the alloy and it generally results in a greater hardening of the alloy.
  • the improvement of these mechanical characteristics is essential for mechanical components such as, for example, the connecting parts of the ground of motor vehicles.
  • the imprints of the matrix may have slightly smaller dimensions than those of the mold, which makes it possible to obtain, during pressing, a core press and a wrought iron.
  • period A the casting of the part is carried out at a temperature T 1 at which the alloy is in liquid form, then the solidification of the part to a lower temperature T 2 .
  • the temperature T 1 is between 740 and 760 ° C.
  • period B the quenching treatment is carried out, the temperature of the part passing from the temperature T 2 to room temperature.
  • the process continues during the period D, by a treatment of income, the part is then heated to a temperature T 3 .
  • This treatment of income makes it possible to optimize the mechanical characteristics by precipitation of alloying elements, in particular in the case of alloys of aluminum.
  • the tempering temperatures are typically between 80 ° C and 200 ° C, depending on the grade for aluminum alloys.
  • the temperature T 3 is preferably between 80 ° C. and 140 ° C.
  • this manufacturing process makes it possible to optimize the quality of the castings obtained, and thanks to its simplicity, it also makes it possible to optimize the cost thereof.
  • the process according to the invention avoids any heat treatment while improving the mechanical characteristics of the parts obtained. Indeed, the method according to the invention does not require reheating of parts and temperature maintenance before forging.
  • the treatment lasts between 1 and 3 hours and is carried out at a temperature between 80 ° C and 200 ° C.
  • the process according to the invention leads to a very strong reduction of the manufacturing cycle (of the order of 10 hours) and of the energy consumption (of the order of 85%) .
  • the method according to the invention also leads to a reduction in the number of heat treatment installations.
  • the implementation of the process according to the invention will require two furnaces and that of a process of the type EP-955 113 will require four ovens.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de pièces coulées réalisées en un alliage léger, notamment en alliage d'aluminium.
  • Les pièces coulées par moulage dans un moule sable ou métallique présentent une structure eutectique grossière, des porosités ou inclusions et principalement des inclusions de gaz, et un état de surface grossier.
  • Ceci affecte les caractéristiques mécaniques et donc la tenue en service de ces pièces.
  • C'est pourquoi de nombreux procédés ont été mis au point pour améliorer les caractéristiques mécaniques des pièces coulées.
  • Ainsi, on connaît de nombreux procédés consistant à remplir un moule avec un alliage à l'état liquide, à démouler la pièce obtenue après solidification et ensuite à soumettre la pièce à un pressage entre deux empreintes métalliques.
  • Le document FR-2 614 814 décrit un procédé de ce type dans lequel l'opération de pressage s'effectue à froid ou à basse température, les empreintes de matrice présentant des dimensions légèrement inférieures à celles de la pièce.
  • Cependant, les procédés de fabrication de pièces coulées proposés plus récemment ont souligné la nécessité de réaliser un pressage à chaud ou encore d'introduire une étape intermédiaire entre le démoulage de la pièce et son pressage, consistant à chauffer cette pièce.
  • On peut notamment citer le document EP-119 365 dans lequel la pièce est démoulée aussitôt après la coulée et encore chaude, puis placée dans les empreintes d'une matrice.
  • Cette étape supplémentaire permet d'obtenir des pièces coulées présentant de meilleures performances mécaniques, notamment en termes d'allongement et de résistance à la traction.
  • Par ailleurs, le document EP-816 042 prévoit un refroidissement et une solidification de la pièce dans le moule, la pièce démoulée étant soumise ensuite à une étape de chauffage pour obtenir une liquéfaction partielle de l'alliage, notamment à une température comprise entre 500 et 550°C.
  • Ce réchauffage facilite l'écoulement des cristaux et permet donc d'obtenir une distribution homogène, ce qui contribue également à améliorer les propriétés mécaniques de la pièce coulée obtenue.
  • On citera encore le document EP-955 113 , présenté comme un perfectionnement apporté au procédé décrit dans le document EP-119 365 , dans lequel on prévoit également de placer la pièce coulée dans un four assurant sa mise en solution, avant de réaliser le pressage de la pièce.
  • On connaît également un procédé consistant à remplir un moule avec un alliage à l'état liquide, à effectuer un moulage sous pression à chaud, pendant la phase de solidification après coulée.
  • Ainsi, les procédés actuels prévoient l'application d'une pression afin notamment de réduire les espaces occupés par les inclusions dans la matière moulée. L'application de cette pression s'effectue par ailleurs à chaud, certains procédés prévoyant même une opération de réchauffage de la pièce avant pressage. Ceci permet sans doute d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces coulées obtenues mais rend ces procédés relativement complexes, notamment lorsqu'il faut prévoir un four tunnel entre le poste de moulage et le poste de pressage pour réchauffer les pièces.
  • Ces procédés sont donc nécessairement complexes et coûteux.
  • L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un procédé, très simplifié par rapport aux procédés utilisés actuellement, ce procédé permettant par ailleurs d'obtenir des pièces dont les caractéristiques mécaniques sont optimisées.
  • A cet effet, l'invention concerne un procédé pour fabriquer des pièces coulées comprenant les caractéristiques énoncées dans la revendication 1.
  • L'invention se démarque donc complètement des procédés actuellement utilisés dans lesquels les pièces sont pressées à chaud, lors du moulage ou du forgeage.
  • Dans le procédé selon l'invention, les pièces sont pressées à froid, comme dans les techniques plus anciennes illustrées par exemple dans le document FR-2614 814 et, de surcroît, la pièce démoulée est refroidie rapidement et subit donc un traitement du type trempe avant le pressage.
  • Ce refroidissement rapide permet d'obtenir une pièce de structure homogène, grâce à la mise en solution de l'alliage résultant du processus de coulée.
  • Le procédé selon l'invention utilise une propriété particulière des alliages légers, entre autres d'aluminium, à l'état trempé: ceux-ci présentent une très bonne aptitude au forgeage ou au formage en raison d'un accroissement de leur ductilité.
  • Ainsi, une pièce coulée en alliage léger et trempée présente une structure ductile et peut être formée à froid.
  • De plus, avec un formage ou un forgeage à froid, la prédétermination des dimensions de la pièce finale est facilement réalisable par le moyen d'une modélisation numérique simple (calcul dans le domaine du forgeage à froid, en fonction du comportement élasto-plastique du matériau sans nécessité de prise en compte d'effet thermique).
  • La pièce obtenue par ce type de formage, présente une précision dimensionnelle ainsi qu'un état de surface, une structure de la matière et une réduction des porosités ou inclusions très sensiblement améliorés par rapport à une pièce obtenue par un forgeage à chaud.
  • La réduction, voire la disparition, des porosités ressort notamment de l'examen comparé de micrographies de l'alliage brut de fonderie et de l'alliage après forgeage à froid.
  • On a pu également constater que le procédé selon l'invention écrouit les grains en surface, affine et fibre la structure, ce qui améliore ainsi la tenue en service de la pièce.
  • L'état de surface peut être apprécié au moyen de la rugosité. Les mesures effectuées sur des pièces obtenues par le procédé selon l'invention ont donné une valeur d'environ 1,5 µm. A titre de comparaison, la rugosité d'une pièce brute de fonderie est comprise entre 8 et 10 µm tandis que celle obtenue par un procédé du type décrit dans EP-199 365 ou EP-955 113 est d'environ 3 µm.
  • Par ailleurs, le forgeage à froid présente un autre avantage important par rapport au forgeage à chaud, puisqu'il permet de réduire la masse de métal nécessaire pour obtenir la pièce finie.
  • De façon générale, l'application d'une pression a pour but de déplacer la matière pour fermer des zones de discontinuité dues aux inclusions.
  • L'expression de l'énergie à apporter pour déplacer la matière est de la forme:
    • E=Kxσxε
    • E: énergie de déformation
    • σ: contrainte de déformation du matériau
    • ε: déformation de la matière
    • K: constante due au frottement
  • Lors de pressage à chaud, la contrainte est plus faible qu'à froid. Pour obtenir la même énergie de déformation, les déplacements et écoulements de matière à chaud sont donc plus importants.
  • Il en résulte d'un point de vue pratique que les bavures, qui servent en particulier à la régulation de ces écoulements lors du forgeage, sont plus importantes à chaud qu'à froid.
  • A titre d'exemple, pour une pièce industrielle de masse 1 Kg à l'état fini, on obtient les résultats suivants qui sont regroupés dans le Tableau 1: Tableau 1
    Procédé utilisé Procédé selon l'invention Procédé du type EP-955 113
    Epaisseur de la bavure nécessaire au forgeage 0 à 4 mm 3 à 5 mm
    Masse de métal nécessaire pour obtenir la pièce/masse de métal de pièce finie (mise au mille induite par le forgeage) 1 à 1.1 ≥ 1.4
    Le procédé selon l'invention conduit donc à des économies de matière lors de l'obtention des pièces.
  • Après le pressage entre les deux empreintes de la matrice, la pièce peut être maintenue à température ambiante. Il s'agit d'un traitement de vieillissement en ambiance naturelle (maturation).
  • L'alliage métallique a alors tendance à retrouver l'équilibre, phénomène qui est responsable du durcissement structural par maturation à la température ambiante.
  • De façon préférée, après le pressage, la pièce est soumise à un traitement de revenu.
  • Un tel traitement de revenu permet d'accélérer le retour à l'équilibre de l'alliage et il se traduit généralement par un durcissement plus important de l'alliage.
  • Il permet également de diminuer partiellement les tensions internes. Cette diminution est fonction de l'alliage, mais également de la température de traitement.
  • De façon générale, ce traitement de revenu ou de maturation permet de donner à la pièce de bonnes caractéristiques mécaniques.
  • Des mesures ont été réalisées sur différentes pièces pour déterminer leur résistance mécanique (Rm)(limite de rupture de la pièce sollicitée en traction), leur limite élastique (Re), leur capacité d'allongement (A%) ainsi que leur limite de fatigue en flexion à 1 million de cycles (LF).
  • Elles montrent que le procédé selon l'invention améliore l'ensemble de ces caractéristiques des pièces qui ont été soumises à ce procédé, par rapport à des pièces brutes de fonderie, qu'elles aient ou non été soumises à un traitement thermique postérieur.
  • Ces mesures montrent que le procédé selon l'invention améliore également les caractéristiques Re, Rm et LF par rapport à des pièces obtenues par un procédé de moulage sous pression à chaud ou un procédé selon EP-199 365 ou EP-955 153 qui prévoit un forgeage à chaud.
  • Ces mesures sont indiquées dans le tableau ci-dessous: Tableau 2
    Pièce brute de fonderie Pièce brute de fonderie + traitement thermique Procédé du type EP-955 153 Moulage sous pression à chaud Procédé selon l'invention
    Rm (MPa) 150-200 240-300 280-330 280-340 290-350
    Re (MPa) 70-110 200-250 200-250 250-300 260-310
    A% 5-10 2-7 6-11 7-11 6-11
    LF (MPa) 72,5-77,5 107,5-112,5 130-135 120-125 132,5-137,5
  • L'amélioration de ces caractéristiques mécaniques est essentielle pour des pièces de construction mécanique telles que, par exemple, les pièces de liaison au sol de véhicules automobiles.
  • Enfin, les empreintes de la matrice peuvent présenter des dimensions légèrement inférieures à celles du moule ce qui permet d'obtenir, lors du pressage, un pressage à coeur et un corroyage.
  • On se réfère maintenant à la figure unique qui illustre très schématiquement, sous forme d'un graphique donnant la température de la pièce en fonction du temps, les différentes étapes du procédé selon l'invention.
  • Pendant la période A, est réalisée la coulée de la pièce à une température T1 à laquelle l'alliage se présente sous forme liquide, puis la solidification de la pièce jusqu'à une température inférieure T2.
  • A titre d'exemple, pour des pièces réalisées en un alliage aluminium-silicium-magnésium, la température T1 est comprise entre 740 et 760° C.
  • Pendant la période B, est effectué le traitement de trempe, la température de la pièce passant de la température T2 à la température ambiante.
  • Pendant la période C, est effectué le pressage à température ambiante de la pièce. Ce pressage est effectué entre deux empreintes de la matrice de façon à écrouir le matériau et, par création de dislocations, à augmenter ses caractéristiques mécaniques.
  • Dans l'exemple illustré sur la figure, le procédé se poursuit pendant la période D, par un traitement de revenu, la pièce est alors chauffée à une température T3.
  • Ce traitement de revenu permet d'optimiser les caractéristiques mécaniques par précipitation des éléments d'alliage, notamment dans le cas des alliages d'aluminium.
  • Les températures de revenu sont comprises typiquement entre 80°C et 200°C, selon la nuance pour des alliages d'aluminium.
  • A titre d'exemple, pour des pièces réalisées en un alliage aluminium-silicium-magnésium, la température T3 est comprise, de préférence, entre 80° C et 140 ° C.
  • Ainsi, de façon générale, ce procédé de fabrication permet d'optimiser la qualité des pièces coulées obtenues, et grâce à sa simplicité, il permet également d'en optimiser le coût.
  • En effet, par rapport au procédé du type décrit dans le brevet EP-955 113 qui prévoit un traitement thermique de durée importante consistant en pratique en un réchauffage et en un maintien à une température d'environ 540° C et pendant une durée de l'ordre de 6 heures, suivi d'une trempe et d'un revenu à environ 160° C pendant 6 heures, le procédé selon l'invention évite tout traitement thermique tout en améliorant les caractéristiques mécaniques des pièces obtenues. En effet, le procédé selon l'invention ne nécessite pas de réchauffage des pièces et de maintien en température avant forgeage.
  • Dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut recourir à un traitement de revenu pour s'affranchir de la durée requise par la maturation.
  • Cependant, le traitement de revenu dure entre 1 et 3 heures et s'effectue à une température comprise entre 80° C et 200° C.
  • Ainsi, même avec un traitement de revenu, le procédé selon l'invention conduit à une très forte réduction du cycle de fabrication (de l'ordre de 10 heures) et de la consommation d'énergie (de l'ordre de 85%).
  • Le procédé selon l'invention entraîne également une réduction du nombre d'installations de traitement thermique. A titre comparatif, la mise en oeuvre du procédé selon l'invention nécessitera deux fours et celle d'un procédé du type EP-955 113 nécessitera quatre fours.

Claims (4)

  1. Procédé pour fabriquer des pièces coulées, réalisées en un alliage léger, consistant:
    - à remplir un moule avec un alliage léger à l'état liquide,
    - à démouler la pièce après solidification et
    - à soumettre la pièce à un pressage réalisé à température ambiante entre les deux empreintes d'une matrice,
    caractérisé en ce que la pièce démoulée est trempée jusqu'à la température ambiante, de façon à obtenir une structure homogène, puis soumise audit pressage à l'état trempé.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce est maintenue à température ambiante après le pressage.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'après le pressage, la pièce est soumise à un traitement de revenu.
  4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les empreintes de la matrice présentent des dimensions légèrement inférieures à celles du moule.
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