EP1815036A2 - Alliage d'aluminium pour piece a haute resistance mecanique a chaud - Google Patents

Alliage d'aluminium pour piece a haute resistance mecanique a chaud

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Publication number
EP1815036A2
EP1815036A2 EP05820753A EP05820753A EP1815036A2 EP 1815036 A2 EP1815036 A2 EP 1815036A2 EP 05820753 A EP05820753 A EP 05820753A EP 05820753 A EP05820753 A EP 05820753A EP 1815036 A2 EP1815036 A2 EP 1815036A2
Authority
EP
European Patent Office
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content
alloy according
alloys
magnesium
less
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05820753A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Siegfried Mielke
Gérard Laslaz
Charlotte Gautier-Picard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KS Kolbenschmidt GmbH
PSA Automobiles SA
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
KS Kolbenschmidt GmbH
Aluminium Pechiney SA
Peugeot Citroen Automobiles SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KS Kolbenschmidt GmbH, Aluminium Pechiney SA, Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical KS Kolbenschmidt GmbH
Publication of EP1815036A2 publication Critical patent/EP1815036A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to aluminum alloys for parts subjected to high thermal and mechanical stresses, in particular the pistons of internal combustion engines, and more particularly turbo-charged gasoline or diesel engines.
  • aluminum alloys with a high silicon content (10 to 24%) are usually used to facilitate their moldability and to give them good wear resistance.
  • their composition systematically includes an addition of magnesium and copper hardeners, soluble at high temperature, but poorly soluble at room temperature. This double addition gives the alloy, by a complete heat treatment in the T6 or T7 state or a simple T5 state, good mechanical strength at room temperature.
  • the typical magnesium contents are between 0.3 and 1.5% and those in copper between 0.3 and 5%.
  • patent FR 2690927 in the name of the applicant, filed in 1992 describes creep resistant aluminum alloys containing from 4 to 23% of silicon, at least one of magnesium elements (0.1 - 1%) , copper (0.3-4.5%) and nickel (0.2-3%), and 0.1 to 0.2% titanium, 0.1 to 0.2% zirconium and 0.2 to 0.4% vanadium.
  • An improvement in the creep resistance at 300 ° C was observed without significant loss of elongation measured at 250 ° C.
  • Another patent, filed by Toyota in 1996 discloses an alloy for application to a piston of an internal combustion engine, composed of 13 to 25% of silicon and particularly charged with copper and magnesium (8 to 22% copper, 0.2 to 1.5% magnesium) with additionally 0.3 to 1.5% iron, 0.1 to 2.5% manganese, 0.01 to 1.5% titanium, 1 to 5% nickel, 0.002 to 0.4% phosphorus, other impurities , aluminum balance.
  • a patent application also filed by Toyota, but in 1998 JP2000 / 054053 discloses a method of manufacturing alloy for piston leading to a maximum grain size of 200 microns, and a composition also loaded both copper and aluminum. 'magnesium (3.0 to 10.0% copper and 0.7 to 1.3% magnesium with 1.5 to 3.0% nickel, 1.0% iron at most, 0.5 to 1.0% manganese, 0.05 to 0.3% vanadium and 12 to 14% of silicon).
  • NASH has more recently filed several patents also on alloy compositions with high silicon content, copper and magnesium also containing titanium, zirconium, vanadium ....
  • the application US 2001/0010242 A1 relates to a process for manufacturing a part molded from an alloy of composition: Si: 14.0-25.0%, Cu: 5.5-
  • Another route is the selection of low magnesium alloys associated with relatively moderate levels of copper.
  • the object of the present invention is to further improve the mechanical strength and the creep resistance, in the temperature range 230-380 ° C., of parts subjected locally to such temperatures, in particular the pistons of internal combustion engines, including turbo-charged and direct injection engines.
  • the subject of the invention is an aluminum alloy for a piece having to have a high mechanical resistance when hot, of composition (% by weight):
  • FIG. 1 shows a section of a piston with the piston head at 1, the piston skirt at 2, the piston bowl at 3, the bowl edge at 4, and the spindle boss at 5.
  • FIG. 2 represents the percentage of pistons having a crack of more than 1.5 mm at the edge of the bowl (in the ordinate), as a function of the number N of thermal cycling of 380 to 150 ° C. (in the abscissa) during the simulator tests. the thermal fatigue stress at the edge of the bowl.
  • FIG. 2 represents the percentage of pistons having a crack of more than 1.5 mm at the edge of the bowl (in the ordinate), as a function of the number N of thermal cycling of 380 to 150 ° C. (in the abscissa) during the simulator tests. the thermal fatigue stress at the edge of the bowl.
  • FIG. 3 shows in ordinate the limit pressure, in bars (10 5 N / m 2 ), deduced from the simulation of mechanical stress stressing of the pin bosses (in English "pin boss pulsator") on pistons cast with the various alloys indicated on the abscissa, these being maintained at a temperature of 250 ° C. for 20 h.
  • Figure 4 shows the mechanical tensile characteristics at room temperature, obtained on dissecting specimens in pistons poured with the various alloys indicated on the abscissa, on the ordinate and in N / mm 2 on the left for the yield strength, in% and in the right for the elongations at break.
  • the invention is based on the finding made by the applicant that it is possible to obtain heat-resistance properties, especially between 230 ° C. and 430 ° C., which are significantly improved over existing alloys by combining, in an alloy Al-Si type molding, 4 to 9% copper content and low magnesium content.
  • the alloys according to the invention have, as their main characteristics, a relatively moderate silicon content of 8 to 13%, associated with a high copper content (4 to 9%), a relatively high nickel content (1.5 to 4% ) and a very limited zirconium content. More specifically, the alloys according to the invention have the following composition: Si: 8 to 13%, Fe ⁇ 1.0%, Cu: 4 to 9%, Mg: ⁇ 0.5%, Mn ⁇ 1%, Zn ⁇ 1, 0%, Ni: 1 to 4%, Ti ⁇ 0.3%, P: 0.001 to 0.05%, V ⁇ 0.3%, Zr ⁇ 0.05%.
  • composition compared to those described in the prior art, in particular in the case of application to pistons, provides a solidification structure of the eutectic intermetallic phases AlCuNi, A13Ni, ... little segregated and good homogeneity throughout the room and, with the conventional addition of phosphorus, a hypereutectic structure of primary silicon of slightly elongated shape and distributed regularly.
  • this type of composition also significantly improves the resistance to hot mechanical fatigue, which is necessary in particular in the regions of the axis bosses, by virtue of obtaining, during the heat treatment, a microstructure comprising phases metastable copper type ⁇ '- ⁇ "derived from the precipitation system Al 2 Cu.
  • phase phases are more stable at moderate and high temperatures (180 to 300 ° C.) than the ⁇ ' ⁇ "binary phases based on Mg 2 Si and the quaternary phases ⁇ ' ⁇ " AlCuMgSi, which are formed during the incipient income. high amounts of magnesium and limited copper contents.
  • the copper content is kept below 1%, which means that they may be alloys of first or second fusion; this limit can be lowered below 0.3% (first melting), and preferably below 0.2% when a high elongation at break is desired.
  • the titanium content is maintained between 0.03 and 0.3%, which is quite usual for this type of alloy.
  • compositions chosen according to the invention is indeed the possibility of obtaining ⁇ -Al dendritic structures that are varied and controllable according to the zones of the piston.
  • an equiaxed dendritic structure refined at the bottom of the piston favors the resistance to hot mechanical fatigue of this zone.
  • the alloys according to the invention make it possible, by adapting the local dendritic structure, to optimize the resistance of the piston both in thermal fatigue and mechanical fatigue (bowl edge and axis boss).
  • the zirconium content is kept below 0.05%, since this element refines the grain and prevents obtaining a columnar or herbaceous structure precisely sought in hot areas.
  • the alloy contains nickel at a high level of 1 to 4%, which contributes to the heat resistance. It may also comprise vanadium at a content of less than 0.30%, and preferably between 0.04 and 0.20%. At a content of more than 0.1%, manganese has a positive effect on the mechanical strength between 230 ° C and 43O 0 C, but this effect then caps, which explains its limitation to 1% maximum.
  • the limitation of the magnesium content to less than 0.5%, preferably 0.4% and even more advantageously 0.3% has the advantage of substantially reducing the oxidation of the alloy, this facilitating 1 Obtaining particularly sound parts (few inclusions of oxides, shrinkage, gassing porosity), resulting in a much better consistency of performance in thermal fatigue and mechanical fatigue
  • the limitation of the magnesium content to less than 0.1% confers additional advantages: -It allows obtaining at the top of the piston, subjected to high loads of thermal fatigue at high temperature (350 ° C-430 ° C), a structure comprising a large fraction of eutectic phases Al-Cu and Al-Ni-Cu without magnesium, particularly favorable to good mechanical behavior at high temperature. With the choice of a high copper content according to the invention, it has no negative impact on the level of curing at room temperature, nor on the fatigue strength, thermal and mechanical.
  • the alloys with a very low magnesium content have a solidus temperature and a temperature of burn above 507 ° C. They can therefore be heat treated in the T6 or T7 state with a dissolution temperature of between 515 and 525 ° C. depending on the copper content, and this without any particular precaution, that is to say without necessity. a slow rise in temperature or an intermediate stage, while the alloys of the same type with more than 0.5% magnesium form a quaternary eutectic invariant with the risk of a burn at 508 ° C.
  • the possibility of carrying out a heat treatment at more than 515 ° C has several advantages: it is possible to obtain a further homogenization of the copper phases, a better globulization of the silicon phases and a more complete precipitation of the titanium and vanadium peritectic phases. .
  • the alloys according to the invention are suitable for the usual molding processes, in particular gravity mold casting and low pressure shell molding, but also sand casting, squeeze casting (particularly in the case of insertion of composites) and lost-foam molding. They may be suitable for other forming processes such as, but not limited to, stamping, forging, "casting-molding" (Cobapress®) or molding in the semi-solid state.
  • the heat treatment of the T7 type may comprise dissolution typically from 15 minutes to 10 hours at a temperature of between 515 and 525 ° C., quenching preferably with cold water or softened quenching, and over-tempering. 0.5 to 10 h at a temperature between 220 and 28O 0 C. If, for particular reasons, it is desired to avoid too much globulization of the eutectic silicon network, it is preferable to carry out the dissolution at a lower temperature, between 490 and 515 ° C.
  • the alloys according to the invention and in particular in the case of application to pistons of automobile or aircraft engines, have excellent mechanical resistance to heat and creep resistance greater than that of the alloys of the prior art in the temperature range 230-430 ° C.
  • the alloys according to the invention can obviously contain impurities at the level encountered either in first fusion (alloys resulting from electrolysis without recycling), second melting (alloys resulting from recycling), or at a purity level. intermediate between the two previous ones.
  • compositions have been used to produce, by molding according to the process
  • the temperature is generally set at 50 ° C.
  • a calculation makes it possible to determine the maximum combustion pressure at which the bosses can withstand. It is the latter which appears on the ordinate in FIG. 3, in this case for a hold of 20 h at 250 ° C.
  • the pistons were previously subjected to a heat treatment involving solution with a plateau of 60 minutes at 500 ° C., quenching and tempering for 5 hours at 230 ° C.
  • Figure 4 shows the tensile test results at room temperature on dissection specimens.
  • the alloy C according to the invention has characteristics of the same level as those of the standard alloy A reference.

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Abstract

L'invention a pour objet un alliage d'aluminium pour piece devant posseder une grande resistance mecanique a chaud dans Ie domaine de temperature 230-430°C, de composition (% massique) : Mg < 0,5 Si : 8,0 - 13 Cu : 4,0 - 9,0 Ni: 1,0 - 4,0 Fe < 1,0 Mn < 1,0 Zn < 1,0 V < 0,3 Ti < 0,3 Zr < 0,05 P : 0,001 - 0,05 autres elements < 0,15 chacun et < 0,30 au total, balance aluminium. L'invention concerne plus particulierement les alliages pour pistons de moteurs a combustion interne.

Description

Alliage d'aluminium pour pièce à haute résistance mécanique à chaud
Domaine de l'invention
L'invention concerne les alliages d'aluminium pour pièces soumises à des contraintes thermiques et mécaniques élevées, notamment les pistons de moteurs à combustion interne, et plus particulièrement de moteurs turbo-chargés à essence ou diesel.
Etat de la technique
Sauf mention contraire, toutes les valeurs relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique.
Dans la fabrication des pistons de moteurs, on utilise habituellement des alliages d'aluminium à forte teneur en silicium (10 à 24 %) pour faciliter leur aptitude au moulage et leur conférer une bonne résistance à l'usure. Pour permettre un durcissement structural, leur composition comporte systématiquement une addition des éléments durcissants magnésium et cuivre, solubles à haute température, mais peu solubles à la température ambiante. Cette double addition confère à l'alliage, par un traitement thermique complet à l'état T6 ou T7 ou un simple revenu à l'état T5, une bonne résistance mécanique à la température ambiante. Les teneurs typiques en magnésium se situent entre 0,3 et 1.5 % et celles en cuivre entre 0,3 et 5 %.
Il est connu également d'ajouter des éléments moins solubles tels que le nickel entre 0.5 et 4 %, le cobalt, le zirconium, le vanadium, voire l'argent, pour tenter d'améliorer les propriétés mécaniques à chaud. Les alliages les plus courants sont 1Α-S12UNG et 1Α-S12U3-5N3G. Des publications plus ou moins récentes indiquent des variantes de composition, notamment à très fortes teneurs en cuivre associées à des teneurs conséquentes en magnésium.
Ainsi, le brevet FR 2690927 au nom de la demanderesse, déposé en 1992, décrit des alliages d'aluminium résistant au fluage contenant de 4 à 23 % de silicium, au moins l'un des éléments magnésium (0,1 - 1 %), cuivre (0,3 - 4,5 %) et nickel (0,2 - 3 %), et de 0,1 à 0,2 % de titane, de 0,1 à 0,2 % de zirconium et de 0,2 à 0,4 % de vanadium. On observe une amélioration de la tenue au fluage à 300°C sans perte notable de l'allongement mesuré à 250°C.
Un autre brevet, déposé par Toyota en 1996 (JP9272939), décrit un alliage pour application à un piston de moteur à combustion interne, composé de 13 à 25 % de silicium et particulièrement chargé en cuivre et magnésium ( 8 à 22 % de cuivre, 0.2 à 1.5 % de magnésium) avec en outre, 0.3 à 1.5 % de fer, 0.1 à 2.5% de manganèse, 0.01 à 1.5 % de titane, 1 à 5 % de nickel, 0.002 à 0.4 % de phosphore, autres éléments en impuretés, balance aluminium. Une demande de brevet déposée également par Toyota, mais en 1998, (JP2000/054053) décrit une méthode de fabrication d'alliage pour piston conduisant à une taille de grain maximale de 200 μm, et d'une composition également chargée tant en cuivre qu'en magnésium (3.0 à 10.0 % de cuivre et 0.7 à 1.3% de magnésium avec 1.5 à 3.0 % de nickel , 1.0 % de fer au maximum, 0.5 à 1.0 % de manganèse, 0.05 à 0.3 % de vanadium et 12 à 14 % de silicium).
La « NASA » a plus récemment déposé plusieurs brevets portant également sur des compositions d'alliages à forte teneur en silicium , cuivre et magnésium comportant également du titane, zirconium, vanadium....
- Ainsi la demande US 2001/0010242 Al est relative à un procédé de fabrication d'une pièce moulée à partir d'un alliage de composition : Si : 14.0-25.0 %, Cu : 5.5-
8.0 %, Mg : 0.5-1.5 %, Ni : 0.05-1.2 % Ti : 0.05-1.2 %, Zr : 0.12-1.2 %, V : 0.05-1.2 %, P : 0.001-0.1 %, balance aluminium ; le rapport %Si / %Mg est compris entre 15 et 35 ; le rapport %Cu / %Mg est compris entre 4 et 15.
- Le brevet US 6.399.020 donne quant à lui une autre variante de composition, à savoir : Si : 11.0-14.0 %, Cu : 3.6-8.0 %, Fe : 0-0.8 %, Mg : 0.5-1.5 %, Ni : 0.05-0.9
%, Mn : 0-1.0 %, Ti : 0.05-1.2 %, Zr : 0.12-1.2 %, V : 0.05-1.2 %, Sr : 0.001-0.1 %. D'autres brevets antérieurs portent sur des alliages à forte teneur en cuivre et magnésium ainsi qu'en nickel : c'est le cas du brevet d'Alcan-Gmbh, EP0714479, qui décrit un alliage de composition : Cu : 2-6 %, Ni : 2-6 %, Si : 11-16 %, Mg : 0.5 - 2.0 %, Fe < 0.7 %, Mn < 0.5% ,...
Une autre voie consiste dans le choix d'alliages à basse teneur en magnésium associée à des teneurs relativement modérées en cuivre.
Ainsi, la demande de brevet récente de Toyota ( JP2002/249840 ) porte sur un alliage à teneurs faible en magnésium et modérée en cuivre , et d'une taille de grain α-Al limitée, de composition : Mg < 0.2%, Ti : 0.1-0.3 %, Si : 11-15 %, Cu : 2-3.5
%, Fe : 0.2-1 %, Mn : 0.2-1 %, Ni : 1-3%, P : 0.001-0.015 % , reste aluminium et impuretés, et de structure hypereutectique.
Une demande encore plus récente, toujours de Toyota, mais déposée aux USA et en Allemagne (US 2004/057865 Al) est relative à un piston constitué également d'un alliage d'aluminium à teneurs faible en magnésium et modérée en cuivre, mais sans précision sur la taille de grain : Mg < 0.2 %, Ti : 0.05-0.3 %, Si : 10-21 % , Cu : 2- 3.5 %, Fe : 0.1-0.7 %, Ni 1-3 %, P : 0.001-0.02 %.
Le but de la présente invention est d'améliorer encore la résistance mécanique et la tenue au fluage, dans le domaine de température 230-380°C, de pièces soumises localement à de telles températures, en particulier les pistons de moteurs à combustion interne, notamment des moteurs turbo-chargés et à injection directe.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un alliage d'aluminium pour pièce devant posséder une grande résistance mécanique à chaud, de composition (% massique) :
Mg < 0,5
Si : 8,0 - 13 Cu : 4,0 - 9,0
Ni: 1,0 - 4,0
Fe < 1,0
Mn < 1,0
Zn < 1,0 V < 0,3
Ti < 0,3
Zr < 0,05
P : 0,001 - 0,05 autres éléments < 0,15 chacun et 0,30 au total, balance aluminium.
Description des figures
La figure 1 représente une coupe d'un piston avec la tête de piston en 1, la jupe de piston en 2, le bol de piston en 3, l'arête de bol en 4, et le bossage d'axe en 5. La figure 2 représente le pourcentage de pistons présentant une fissure de plus de 1,5 mm en arête de bol (en ordonnée), en fonction du nombre N de cyclages thermiques de 380 à 150°C (en abscisse) lors des essais sur simulateur de la sollicitation en fatigue thermique en arête de bol. La figure 3 représente en ordonnée la pression limite, en bars (105 N/m2), déduite de la simulation de sollicitation en fatigue mécanique des bossages d'axes ( en anglais « Pin boss pulsator ») sur pistons coulés avec les divers alliages indiqués en abscisse, ceux-ci étant maintenus à une température de 250°C pendant 2Oh. La figure 4 présente les caractéristiques mécaniques de traction à température ambiante, obtenues sur éprouvettes en dissection dans les pistons coulés avec les divers alliages indiqués en abscisse, en ordonnée et en N/mm2 en partie gauche pour la limite d'élasticité, en % et en partie droite pour les allongements à rupture.
Description de l'invention
L'invention repose sur la constatation faite par la demanderesse qu'il est possible d'obtenir des propriétés de tenue à chaud, notamment entre 230°C et 430°C, nettement améliorées par rapport aux alliages existants, en associant, dans un alliage de moulage de type Al-Si, une teneur de 4 à 9 % en cuivre et une faible teneur en magnésium.
Les alliages selon l'invention ont, comme principales caractéristiques, une teneur en silicium relativement modérée, de 8 à 13 %, associée à une forte teneur en cuivre (4 à 9 %), une assez forte teneur en nickel (1.5 à 4 %) et une teneur très limitée en zirconium. Plus précisément, les alliages selon l'invention présentent la composition suivante: Si : 8 à 13 %, Fe < 1.0 %, Cu : 4 à 9 %, Mg : < 0,5 %, Mn < 1%, Zn < 1,0 %, Ni : 1 à 4 %, Ti < 0.3%, P : 0.001 à 0.05 %, V < 0.3 %, Zr < 0.05%.
Ce type de composition par rapport à celles décrites dans l'art antérieur, en particulier dans le cas d'application à des pistons, confère une structure de solidification des phases eutectiques intermétalliques AlCuNi, A13Ni, ... peu ségrégée et d'une bonne homogénéité dans l'ensemble de la pièce ainsi que, moyennant l'addition classique de phosphore, une structure hypereutectique de silicium primaire de forme peu allongée et répartie régulièrement. ,
5 Ces structures améliorent le comportement en fatigue thermique à très hautes températures ( 300 à 430°C ) des arêtes de bol en tête de piston. Qui plus est, ce type de composition améliore aussi de façon très sensible la tenue en fatigue mécanique à chaud, nécessaire en particulier dans les zones des bossages d'axe, grâce à l'obtention lors du traitement thermique d'une microstructure comportant des phases métastables au cuivre du type θ'- θ" dérivées du système de précipitation Al2Cu.
Ces phases sont plus stables à des températures modérées et élevées ( 180 à 3000C ) que les phases binaires β'β " à base de Mg2Si et les phases quaternaires λ'λ" AlCuMgSi, qui se forment lors du revenu en présence de fortes quantités de magnésium et de teneurs limitées en cuivre..
Par le choix de la teneur en cuivre, il est possible d'accéder à des compromis différents entre les propriétés mécaniques à chaud et la ductilité. Comme la plus grande partie des alliages destinés à la fabrication des pistons de moteurs, la teneur en fer est maintenue en dessous de 1 %, ce qui veut dire qu'il peut s'agir d'alliages de première ou de deuxième fusion; cette limite peut être abaissée en dessous de 0.3 % (première fusion), et de préférence en dessous de 0,2 % lorsqu'on souhaite un allongement à la rupture élevé. La teneur en titane est maintenue entre 0,03 et 0,3 %, ce qui est assez habituel pour ce type d'alliage.
Un avantage des compositions choisies selon l'invention est en effet la possibilité d'obtenir des structures dendritiques α-Al variées et contrôlables selon les zones du piston.
La demanderesse a vérifié la possibilité de favoriser, en jouant sur la thermique de solidification et sur la composition, soit des structures colonnaires, voire herbacées, soit au contraire, équiaxes :
- Si l'on souhaite une structure équiaxe en toutes zones du piston, les additions de titane ( élément ralentisseur de croissance et affinant ) jusqu'à 0,3 %, éventuellement combinées à des additions d'affinants à base de titane et/ou de bore sont préférées. - Si, au contraire, on souhaite obtenir, dans certaines parties de la pièce, telles que la tête et l'arête de bol, une structure colonnaire, voire herbacée, et ailleurs, en particulier dans les bossages d'axe, une structure équiaxe, il importe de limiter la teneur en éléments péritectiques , soit Ti < 0,10 %, préférentiellement < 0.05%, et Zr < 0,05 %. Les meilleurs résultats d'essais de fatigue thermique à ce jour ont été obtenus avec des structures colonnaires en arête de bol.
Par contre, une structure dendritique équiaxe affinée en partie basse du piston (bossages d'axe) favorise la tenue en fatigue mécanique à chaud de cette zone. Ainsi, les alliages selon l'invention permettent, en adaptant la structure dendritique locale, d'optimiser la résistance du piston tant en fatigue thermique qu'en fatigue mécanique (arête de bol et bossage d'axe).
La teneur en zirconium est maintenue inférieure à 0,05 %, car cet élément affine le grain et empêche l'obtention d'une structure colonnaire ou herbacée précisément recherchée dans les zones chaudes.
L'alliage contient, comme de nombreux alliages pour pistons, du nickel à une teneur élevée de 1 à 4 %, qui contribue à la résistance à chaud. Il peut comporter également du vanadium à une teneur inférieure à 0,30 %, et de préférence entre 0,04 et 0,20 %. A une teneur de plus de 0,1 %, le manganèse a un effet positif sur la résistance mécanique entre 230°C et 43O0C, mais cet effet plafonne ensuite, ce qui explique sa limitation à 1 % au maximum.
Outre ses effets sur la structure, la limitation de la teneur en magnésium à moins de 0,5 %, préférentiellement 0,4 % et encore plus avantageusement 0,3 %, présente l'intérêt de réduire sensiblement Poxydabilité de l'alliage, ceci facilitant 1 Obtention de pièces particulièrement saines (peu d'inclusions d'oxydes, de retassures, de porosités de gazage), d'où une bien meilleure constance des performances en fatigue thermique et en fatigue mécanique
Selon un mode de réalisation préférentielle, la limitation de la teneur en magnésium à moins de 0,1 % confère des avantages supplémentaires : -Elle permet l'obtention en tête du piston, soumise à de fortes sollicitations de fatigue thermique à forte température (350°C-430°C), d'une structure comportant une forte fraction de phases eutectiques de type Al-Cu et Al-Ni-Cu sans magnésium, particulièrement favorable à un bon comportement mécanique à haute température. -Moyennant le choix d'une teneur en cuivre élevée selon l'invention, elle n'a pas d'incidence négative sur le niveau de durcissement à température ambiante, ni sur la résistance à la fatigue, thermique et mécanique.
Par ailleurs, contrairement aux alliages pour pistons habituels, où la présence de magnésium est souhaitée ou admise, les alliages à très basse teneur en magnésium, selon l'invention préférentielle, ont une température de solidus et une température de brûlure supérieures à 507°C. Elles peuvent de ce fait être traitées thermiquement à l'état T6 ou T7 avec une température de mise en solution comprise entre 515 et 5250C selon la teneur en cuivre, et ce sans précaution particulière, c'est-à-dire sans nécessité d'une montée en température lente ou d'un palier intermédiaire, alors que les alliages du même type à plus de 0,5% de magnésium forment un eutectique quaternaire invariant avec le risque d'une brûlure à 5080C.
La possibilité d'effectuer un traitement thermique à plus de 515°C présente plusieurs avantages : on peut obtenir une homogénéisation plus poussée des phases au cuivre, une meilleure globulisation des phases au silicium et une précipitation plus complète des phases péritectiques au titane et au vanadium.
-Enfin, un autre avantage non négligeable de la combinaison de fortes teneurs en cuivre et de faibles teneurs en magnésium est de rendre le durcissement structural moins sensible à la vitesse de trempe après mise en solution que dans le cas des alliages du type Al-Si-Mg ou Al-Si-Cu-Mg. De ce fait, bien que trempables à l'eau selon les techniques usuelles, ces alliages autorisent la pratique de traitements thermiques T6 ou T7 avec des vitesses de trempe nettement ralenties par rapport à celles habituellement exploitées (notamment par trempe à l'eau), permettant ainsi de réduire les contraintes internes dans les pièces. Ceci est également vrai pour les états T5 puisque le durcissement dans ce cas ne requiert pas de trempe rapide au démoulage.
Les alliages selon l'invention sont adaptés aux procédés habituels de moulage, notamment le moulage en coquille par gravité et le moulage en coquille par basse pression, mais également le moulage au sable, le squeeze casting (en particulier dans le cas d'insertion de composites) et le moulage à mousse perdue (« Lost-foam »). Ils peuvent convenir à d'autres procédés de mise en forme tels que, de façon non exclusive, le matriçage, le forgeage, le « moulage-matriçage » (Cobapress®) ou le moulage à l'état semi-solide.
Enfin, ils peuvent également être utilisés pour des inserts dans les parties chaudes d'une pièce en alliage traditionnel, ou pour les parties chaudes de pièces réalisées en deux alliages différents (« Dual casting »).
Le traitement thermique du type T7 peut comporter une mise en solution typiquement de 15 mn à 10 h à une température comprise entre 515 et 5250C, une trempe de préférence à l'eau froide ou une trempe adoucie, et un sur-revenu de 0,5 à 10 h à une température comprise entre 220 et 28O0C. Si, pour des raisons particulières, on souhaite éviter une globulisation trop poussée du réseau de silicium eutectique, il est préférable d'effectuer la mise en solution à une température plus faible, entre 490 et 515°C.
Les alliages selon l'invention, et notamment dans le cas d'application à des pistons de moteurs d'automobile ou d'avion, présentent une excellente résistance mécanique à chaud et une résistance au fluage supérieure à celle des alliages de l'art antérieur dans le domaine de température 230-430°C.
Il convient enfin de noter que les alliages selon l'invention peuvent évidemment contenir des impuretés au niveau rencontré soit en première fusion (alliages issus de l'électrolyse sans recyclage), seconde fusion (alliages issus du recyclage),ou à un niveau de pureté intermédiaire entre les deux précédents.
Exemples
On a élaboré dans un four industriel, 7 alliages dont la composition (%massique) est indiquée au tableau 1. Ces compositions ont été mesurées par spectrométrie d'émission par étincelle.
Tableau 1
Ces compositions ont été utilisées pour produire, par moulage selon le procédé
« coquille par gravité », des pistons de type « turbo diesel » pour des moteurs de véhicules particuliers. Lesdits pistons ont fait l'objet :
- d'une caractérisation mécanique (découpe d'éprouvettes de dissection dans les têtes des pistons et essais de traction à température ambiante),
- de caractérisations structurales (taille des grains, examen des phases intermétalliques),
- d'expérimentations sur un simulateur de la sollicitation en fatigue thermique ( en anglais « Thermo-shock » ou encore « Test of the résistance of the bowl rim »): Ce test, via un système de chauffage par induction et un refroidissement régulé des jupes en bain d'eau, provoque un cyclage thermique entre 350°C et 15O0C dans les arêtes de bol. L'inducteur de chauffage a un diamètre de 1 à 2 mm inférieur à celui de l'arête de bol dans lequel il est positionné. Le chauffage s'effectue généralement pendant 3 à 4 secondes et le refroidissement pendant 6 à 10 secondes. Cette sollicitation génère des contraintes successivement en compression et en traction sur l'arête de bol et permet ainsi de comparer la résistance à la fatigue thermique des alliages de différentes compositions. Le critère de ruine est l'apparition d'une fissure de plus de 1.5 mm à partir de l'arête de bol.
- d'expérimentations sur un simulateur (en anglais « Pin boss pulsator ») de la sollicitation en fatigue mécanique des bossages d'axes. Le piston est positionné dans une chambre cylindrique étanche ajustée à ses dimensions latérales extérieures. Une pression d'huile alternée, à une fréquence de 20 à 30 Hz, pendant 2.106 cycles, est appliquée en tête de piston pour obtenir une pression de réaction en bas de jupe constante (généralement de 40 bars soit 40 105 N/m2). La température est généralement fixée à 50°C. En fonction des valeurs moyenne et maximum de pression en tête de piston et des températures habituellement rencontrées dans les bossages, un calcul permet de déterminer la pression maximum de combustion à laquelle les bossages peuvent résister. C'est cette dernière qui figure en ordonnée à la figure 3, dans ce cas pour un maintien de 20 h à 250°C. Pour les différentes caractérisations et expérimentations, les pistons ont été au préalable soumis à un traitement thermique comportant une mise en solution avec palier de 60 mn à 500°C, une trempe et un revenu de 5 h à 2300C.
Les résultats des tests de fatigue thermique sont indiqués sur la figure 2 et ceux des tests de fatigue des bossages d'axe sur la figure 3 : les meilleurs résultats sont appliquée en tête de piston pour obtenir une pression de réaction en bas de jupe constante (généralement de 40 bars soit 40 105 N/m2).
La température est généralement fixée à 50°C. En fonction des valeurs moyenne et maximum de pression en tête de piston et des températures habituellement rencontrées dans les bossages, un calcul permet de déterminer la pression maximum de combustion à laquelle les bossages peuvent résister. C'est cette dernière qui figure en ordonnée à la figure 3, dans ce cas pour un maintien de 20 h à 2500C, Pour les différentes caractérisations et expérimentations, les pistons ont été au préalable soumis à un traitement thermique comportant une mise en solution avec palier de 60 mn à 500°C, une trempe et un revenu de 5 h à 2300C.
Les résultats des tests de fatigue thermique sont indiqués sur la figure 2 et ceux des tests de fatigue des bossages d'axe sur la figure 3 : les meilleurs résultats sont obtenus en fatigue mécanique pour les compositions C et F (figure 3) qui seules entrent dans le champ de composition des alliages selon l'invention, ces deux compositions conduisant par ailleurs à d'excellents résultats en fatigue thermique.
La figure 4 indique les résultats d'essai de traction à l'ambiante sur éprouvettes de dissection. L'alliage C selon l'invention présente des caractéristiques du même niveau que celles de l'alliage classique A de référence.

Claims

Revendications
1. Alliage d'aluminium pour pièce devant posséder une grande résistance mécanique à chaud, de composition (% massique) : Mg < 0,5 Si : 8,0 - 13 Cu : 4,0 - 9,0 Ni: 1,0 - 4,0
Fe < 1,0 Mn < 1,0 Zn < 1,0 V < 0,3 Ti < 0,3
Zr < 0,05 P : 0,001 - 0,05 autres éléments < 0,15 %chacun et 0,30% au total, balance aluminium.
2. Alliage selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la teneur en magnésium est inférieure à 0,4 %.
3. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en magnésium est inférieure à 0,3%.
4. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en magnésium est inférieure à 0,1 %.
5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en fer est inférieure à 0,60 % et la teneur en Zn inférieure à 0.40%.
6. Alliage selon l'une des revendications 1 à 5, destiné à présenter une structure équiaxe dans la quasi-totalité de la pièce, caractérisé en ce que la teneur en titane est comprise entre 0,10 et 0,20 %.
7. Alliage selon l'une des revendications 1 à 5, destiné à présenter une structure colonnaire marquée en certaines zones choisies de la pièce et éventuellement équiaxes dans d'autres zones, caractérisé en ce que la teneur en titane est inférieure à 0,10 %.
8. Alliage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en vanadium est comprise entre 0,04 et 0,20 %.
9. Alliage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,15 et 0,40 %.
10. Alliage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour un insert de partie chaude d'une pièce moulée.
11. Alliage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour un piston de moteur à combustion interne.
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