FR2573777A1

FR2573777A1 - Alliage d'aluminium resistant a la chaleur, a haute resistance, et procede pour fabriquer un element porteur constitue de cet alliage

Info

Publication number: FR2573777A1
Application number: FR8517516A
Authority: FR
Inventors: Haruo Shiina
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1984-11-28
Filing date: 1985-11-27
Publication date: 1986-05-30
Anticipated expiration: 2005-11-27
Also published as: GB8529089D0; GB2167442B; DE3541781C2; DE3541781A1; GB2167442A; FR2573777B1; US4834941A; US4867806A

Abstract

ALLIAGE D'ALUMINIUM CONTENANT SI, FE, CU ET MG ET AU MOINS UN DES METAUX MN ET CO DANS L'INTERVALLE DE COMPOSITION DE BASE SUIVANT: 8,0 SI 30,0 EN POIDS, 2,0 FE 33,0 EN POIDS, 0,8 CU 7,5 EN POIDS, 0,3 MG 3,5 EN POIDS, 0,5 MN 5,0 EN POIDS ET 0,5 CO 3,0 EN POIDS, FOURNIS A L'ETAT PULVERULENT. UN ELEMENT FRITTE FORME DE CES ALLIAGES D'ALUMINIUM PRESENTE UNE RESISTANCE ELEVEE ET REVELE UNE EXCELLENTE RESISTANCE THERMIQUE ET UNE EXCELLENTE RESISTANCE A LA FISSURATION PAR CORROSION SOUS CONTRAINTES. UN ELEMENT PORTEUR CONSTITUE DE L'ALLIAGE D'ALUMINIUM FRITTE EST FABRIQUE EN SOUMETTANT UN CORPS FACONNE PAR COMPRESSION DE POUDRE FORME A UNE TEMPERATURE DE 350C OU MOINS ET SOUS UNE PRESSION DE 1,5-5,0TONNESCM A UNE OPERATION D'EXTRUSION A UNE TEMPERATURE DE 300-400C POUR FORMER UNE MATIERE PREMIERE POUR LE FORGEAGE, PUIS EN FACONNANT PAR FORGEAGE LA MATIERE PREMIERE A UNE TEMPERATURE DE 300-495C.

Description

ALLIAGE D'ALUMINIUM RESISTANT A LA CHALEUR. A HAUTE

RESISTANCE, ET PROCEDE POUR FABRIQUER UN ELEMENT

PORTEUR CONSTITUE DE CET ALLIAGE

La présente invention concerne un alliage d'aluminium résistant à la chaleur, à haute résistance, présentant une résistance à la chaleur, une forgeabilité à chaud et une résistance à la corrosion fissurante élevées, et un procédé pour fabriquer un élément por- teur constitué de cet alliage d'aluminium (par exempLe un piston pour un moteur à combustion interne, une

barre de traction, etc.) par un procédé de métallur-

gie des poudres.

Dans un moteur à combustion interne pour véhicules à moteur, pour réaliser une réduction de poids de la carrosserie, on a utilisé avec de bons résultats des alliages d'aluminium, et ceux-ci sont particulièrement efficaces également pour réduire la force d'inertie dans la fabrication de pièces mobiles telles que des barres de traction, des pistons, etc., en alliage d'aluminium. Ces pièces mobiles doivent

avoir une résistance à la chaleur éLevée et une résis-

tance mécanique élevée, car elles sont utilisées dans des conditions rigoureuses à température élevée, et pour satisfaire à cette exigence, on a tendance à utiliser des produits obtenus par métallurgie des

poudres dans lesquels des éléments peuvent être ajou-

tés avec une grande liberté.

La demanderesse a proposé antérieurement un alliage d'aluminium pour des produits de métallurgie des poudres, dans lequel des proportions élevées de Si, Fe et d'autres éléments ont été ajoutés à Al en

vue d'améliorer la résistance aux températures éle-

vées, le module d'Young, la résistance à l'abrasion et la résistance à la chaleur (voir demande de brevet

japonais n 59-166979).

Cependant, diverses études ultérieures sur l'alliage d'aluminium proposé ci-dessus contenant du Fe dans L'intervalle de proportions de 2,0 < Fe < 10 %

en poids, ont montré que, particulièrement dans l'in-

tervalle de proportions de Fe > 6 % en poids, il était nécessaire d. 'apporter des améliorations supplémentaires à l'aptitude au forgeage à chaud des matières premières de forgeage (sous forme de produits préformés), à la résistance à la corrosion fissurante du produit forgé

final, à la densité de l'élément porteur et à la résis-

tance de l'élément structural à 150-200 C.

En particulier, si la matière première de forgeage ci-dessus (Fe > 6 % en poids) est soumise à un forgeage à chaud à grande vitesse (vitesse de travail = 75 mm/sec., ou davantage), vitesse qui est égale à celle adoptée pour le DURALUMIN (marque déposée), des défauts tels que fissuration, etc., sont susceptibles d'apparaître. Par conséquent, pour améliorer l'aptitude au forgeage à chaud, diverses dispositions doivent être prises dans l'opération de forgeage, telles

qu'un abaissement de la vitesse de travail, une élé-

vation de la température du moule de métal, etc., d'o il s'ensuit que la productivité est dégradée et que les coûts de fabrication des pièces deviennent

élevés.

En outre, dans l'intervalle de proportions de Fe < 6 % en poids, bien que l'élément porteur formé du produit façonné final ait une résistance élevée par comparaison à celui fabriqué à partir d'alliages connus

(JIS, AC8A, AC8B et AC8C: voir tableau 1), aux tempé-

ratures voisines de 300 C, et aux températures de 150-

C, des améliorations supplémentaires de la résis-

tance sont désirées.

SR 3121 JP/GL

TABLEAU 1

(JIS J5202-1971: ALLIAGES D'AL POUR MOULES DE METAL, MOULES DE SABLES

ET MOULAGES EN COQUILLE

Composition chimique (% en poids) - - - - _,,Noms Symboles des aliages Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Ti AI correspondants AC8A 0,8-1,3 11,0-13,0 0,7-1,3 <0, 1 <0,8 <0,1 1,0-2,5 <0,2 AAA 332,0 Lo-ex AC8B 2,0-4,0 8,5-10,5 0,5-1,5 <0, 5 <1,0 <0,5 0,5-1,5 <0,2 Lo-ex

AC8C 2,0-4,0 8,5-10,5 0,5-1,5 <0,5 <1,0 <0,5 - <0,2 AAF 332,0

l, i :,, ', i

257377?

En outre, lorsqu'on fabrique une barre de traction à partir de L'alliage d'aluminium proposé

ci-dessus, on peut craindre que La corrosion fissu-

rante (suivant l'essai de corrosion fissurante de la JIS) se produise aux endroits o une contrainte est appliquée en continu, telle que la saillie de la goupille (L'extrémité La plus petite), ou la fixation de la tête portante (L'extrémité la plus grande) d'une barre de traction, et ceci devient La cause principale de l'abaissement de La durabilité des pièces constitutives dans un moteur, s'ajoutant à La tendance à l'accéLération des moteurs constatée

ces dernières années.

En outre, comme L'alLiage d'aluminium pro-

posé ci-dessus présente une densité éLevée par compa-

raison à celLe d'aLLiages connus, L'aLLiage d'aLumi-

nium impose une condition désavantageuse à La réaLisa-

tion d'un éLément porteur de faibLe poids.

Un des buts principaux de L'invention est donc de fournir un alliage d'aLuminium résistant à La chaLeur, de haute résistance, dont ta matière première intermédiaire puisse être soumise à une opération de forgeage à chaud à grande vitesse, et par conséquent permettre d'obtenir un élément porteur

ayant une résistance élevée à une température de 150-

C, dans lequel la corrosion fissurante ne se pro-

duise pratiquement pas, et dont la densité soit proche

de celle des alliages connus.

Un autre but de la présente invention est de fabriquer un élément porteur constitué d'un alliage d'aluminium fritté résistant à la chaleur et possédant

une résistance élevée en utilisant l'alliage d'alumi-

nium indiqué ci-dessus.

Le but principal de la présente invention décrit ci-dessus peut être atteint en réalisant un alliage d'aluminium contenant Si, Fe, Cu et Mg dans Les intervaLtLes de proportions de: 8,0 4 Si K 30,0 % en poids, 2,0 < Fe < 33,0 % en poids, 0,8 < Cu < 7,5 % en poids, et 0,3 4 Mg < 3,5 % en poids, et au moins un des métaux Mn et Co dans les inter- valles de proportions de: 0,5 l Mn 4 5,0 % en poids et

0,5 < Co 4 3,0 % en poids.

Conformément à une autre caractéristique de la présente invention, l'élément porteur fabriqué à partir de l'alliage d'aluminium décrit cidessus

peut être obtenu par un procédé de fabrication con-

sistant en: - un stade de fabrication d'une poudre dans lequel l'alliage d'aluminium fondu est trempé et solidifié à une vitesse de refroidissement de 103 C/sec. ou davantage pour obtenir une poudre; - un stade de compression de la poudre dans lequel cette poudre d'alliage d'aluminium est façonnée par compression à une température de 3500C ou moins et sous une pression de façonnage de 147 à 490 MPa pour obtenir une matière première pour l'extrusion ayant un rapport de densité de de 70 % ou davantage; - un stade d'extrusion dans lequel cette matière première pour extrusion est soumise à une extrusion à chaud à une température de 300-400 C pour obtenir une matière première pour le forgeage; et - un stade de forgeage dans lequel, après que cette matière première pour le forgeage a été façonnée par forgeage à une température de 300-495 C en

utilisant un moule métallique qui a été au préa-

lable chauffé à une température de 150 C ou davan-

tage, le corps façonné par forgeage est refroidi.

SR 3121 JP/GL

Si Fe et Si sont ajoutés à de L'AL, on peut obtenir des améliorations de La résistance à haute température et du module d'Young, mais des composés

intermétalliques tels que AL3Fe, AL2Fe3Si, etc., pré-

cipiteront sous forme aciculaire, conduisant à une détérioration de l'aptitude au forgeage à chaud, des caractéristiques de frittage, de la résistance à la

corrosion fissurante, etc. On doit envisager par con-

séquent l'amélioration du traitement thermique de La

matrice d'Al pour réduire la quantité de Fe en ajou-

tant Cu, Mg ou Co, et l'aptitude au forgeage à chaud et

les caractéristiques de frittage sont améliorées.

En outre, il est possible de supprimer la formation de cristaux aciculaires pour augmenter

l'aptitude au forgeage à chaud et aussi pour amélio-

rer la résistance à la corrosion fissurante en ajou-

tant Mn, pour favoriser des phénomènes de durcisse-

ment par vieillissement en ajoutant du Zn, et de supprimer L'augmentation de la densité de l'alliage

en ajoutant du Li.

Dans l'alliage d'aluminium conforme à la présente invention, les éléments d'alliage respectifs

sont ajoutés dans les intervalles de compositions chi-

miques suivants:

(a) 8,0 < Si 4 30,0 % en poids.

Si est un constituant essentiel qui contribue à l'augmentation de la résistance à l'abrasion et du module d'Young, il ramène le coefficient de dilatation thermique à une faible valeur et peut augmenter la conductibilité thermique. Lorsque la quantité de Si ajouté est inférieure à 8,0 % en poids, ces effets ne peuvent pas être obtenus, tandis que si elle dépasse 30 % en poids, l'aptitude à l'extrusion ainsi que L'aptitude au forgeage sont détériorées et, par conséquent, des fissures sont susceptibles d'apparaître dans l'article façonné.

(b) 2,0 < Fe < 33,0 % en poids.

Fe est un constituant essentiel et it est

ajouté en vue d'augmenter La résistance à haute tempé-

rature et le module d'Young. Si la quantité de Fe ajoutée est inférieure à 2,0 % en poids, on ne peut pas s'attendre à une augmentation de La résistance à haute température, tandis que si elle dépasse 33,0 % en poids, La densité augmente, ce qui conduit à un

échec de la réduction de poids, et en outre, l'apti-

tude à L'extrusion à chaud et l'aptitude au forgeage à chaud sont détérioriées. De plus, bien que le

modute d'Young augmente avec la quantité de Fe ajou-

tée, si l'on tient compte de L'augmentation de densité, la quantité de Fe ajoutée doit être limitée à la limite

supérieure de 33,0 % en poids.

(c) 0,8 < Cu < 7,5 % en poids.

Cu est un constituant essentiel, et iL est

ajouté en vue de compenser la détérioration des carac-

téristiques de frittage et de l'aptitude au forgeage à chaud provoquée par L'addition de Fe et Si. En outre, par addition de Cu,:on peut augmenter la résistance au traitement thermique d'une matrice d'Al. Si la quantité de Cu ajouté est inférieure à 0,8 %-en poids, ces effets ne peuvent pas être obtenus, tandis que si

elle dépasse 7,5 %-en poids, il en résultera une dété-

rioration de la résistance à la corrosion fissurante et un abaissement de l'aptitude au forgeage à chaud, et la résistance à haute température de l'article

façonné final sera dégradée.

(d) 0,3 < Mg < 3,5 % en poids.

Mg est un constituant essentiel, et il a des effets semblables à ceux de Cu, en ce sens qu'il peut

augmenter La résistance d'une matrice d'Al par traite-

ment thermique. Si la quantité de Mg ajouté est infé-

rérieure à 0,3 % en poids, l'effet de L'addition n'est pas obtenu, tandis que si elLe dépasse 3,5 % en poids; la résistance à la corrosion fissurante est détériorée

et L'aptitude au forgeage à chaud est abaissée.

(e) 0,5 < Mn < 5,0 Z en poids.

Mn et Co sont des éléments tels que L'un des

deux ou Les deux doivent nécessairement être ajoutés.

Dans La préparation d'une poudre atomisée, bien qu'iL soit nécessaire de fixer La vitesse de refroidissement de La poudre d'alliage d'aLuminium

à La valeur maxima, si L'on tient compte de La pro-

ductivité de masse, La vitesse de refroidissement de 103-105 C/sec. est La Limite. Dans cet intervalle de vitesse de refroidissement, pour une teneur en Fe de Fe < 6 % en poids, en raison du fait que Les composés intermétaLLiques de la série AL-Fe-Si peuvent être complètement dissociés dans Le stade d'extrusion à

chaud, et aussi que L'état de précipitation des compo-

sés est granulaire, un forgeage à chaud à grande vitesse est possible dans une certaine mesure. D'autre part, pour une teneur en Fe de Fe > 6,0 X en poids, l'état de précipitation des composés intermétaLLiques

ci-dessus devient aciculaire, La résistance à La défor-

mation à chaud augmente, et par conséquent, le forgeage

à chaud à grande vitesse devient impossible.

Mn est efficace pour régLer L'état de préci-

pitation des composés intermétalLiques ci-dessus. En particulier, en ajoutant La quantité déterminée de Mn

indiquée ci-dessus, à la place de La phase AL3Fe aci-

culaire et de la phase B-Al5FeSi, La phase granuLaire

AL6(FeMn) et la phase c-AL12(Fe, Mn)3Si sont préci-

pitées préférentiellement, améliorant ainsi l'aptitude au forgeage à chaud à grande vitesse, et de cette manière, La résistance d'un étément porteur peut être améliorée. Dans l'intervalle d'addition indiqué ci- dessus, Mn améliore la résistance à haute température des alliages d'AL contenant du Fe, en particulier dans la

proportion Fe > 4,0 % en poids, et contribue à l'amé-

lioration de l'aptitude au forgeage à chaud et à

l'amélioration de la résistance à la corrosion fissu-

rante. Cependant, si elle dépasse 5,0 % en poids, l'aptitude au forgeage à chaud est au contraire

abaissée et il se produit un effet défavorable.

(f) 0,5 < Co < 3,0 % en poids.

L'addition de Co est nécessaire, comme il a été indiqué précédemment, en même temps que Mn ou à la place de Mn. Co améliore efficacement la résistance à haute température lorsque la teneur en Fe est réduite en vue d'améliorer l'aptitude au forgeage; il peut augmenter la résistance à la traction, la limite d'allongement et la résistance à la fatigue sans dégrader les caractéristiques d'allongement, et peut augmenter la résistance à haute température sans dégrader la résistance à la

corrosion fissurante et l'aptitude au forgeage.

Cependant, si la quantité ajoutée est inférieure à 0,5 % en poids, l'effet est faible, tandis que si

elle dépasse 3,0 % en poids, l'effet de l'améliora-

tion n'est pas aussi remarquable lorsque la quantité

ajoutée augmente, et comme en outre le Co est égale-

ment onéreux, elle est limitée à 3,0 % en poids ou moins.

(g) 0,5 4 Zn < 10,0 % en poids.

Zn est un élément qui peut être ajouté sélec-

tivement. Pour augmenter la résistance d'un élément

qui doit être utilisé à 200 C ou moins, il est inté-

ressant de soumettre l'élément à un traitement T6 (traitement de vieillissement artificiel après recuit) et d'utiliser un phénomène de durcissement provoqué par la précipitation de composés intermétalliques produits par addition de Si, Cu et Mg, et Zn a pour fonction de favoriser la précipitation par vieillissement. Cependant, si la quantité ajoutée est inférieure à 0,5 % en poids, l'effet ci-dessus ne peut pas être obtenu, tandis que si elle dépasse ,0 % en poids, la résistance à la déformation à chaud augmente, et par suite, le forgeage à chaud

à grande vitesse devient difficile.

Jusqu'à présent, dans Le cas de l'addition

de Zn comme éLément efficace, le Si contenu dans l'al-

liage d'aluminium était traité comme une impureté, mais dans le cas de l'éLément porteur conforme à la

présente invention, lors de la fabrication de l'élé-

ment porteur, Zn et Si sont amenés avec succès à co-

exister en utilisant un procédé de métallurgie de

poudres pour réaliser l'amélioration de la résis-

tance à l'abrasion et abaisser le coefficient de dilatation thermique provoquée par Si proeutectique,

un phénomène de durcissement provoqué par la précipi-

tation de composés de Zn est utilisé, et il est ainsi

possible d'augmenter la résistance de la matière.

De cette manière, en ajoutant du Zn, la résis-

tance d'un élément porteur après un traitement T6 peut être améliorée, de sorte qu'il est possible de réduire

la densité de l'éLément porteur en supprimant une cer-

taine proportion du Fe ajouté, et aussi d'améliorer

l'aptitude au forgeage à chaud.

(h) 1,0 < Li < 5,0 % en poids.

Li est un élément qui peut être ajouté sétec-

tivement. IL est utilisé en vue de supprimer L'augmen-

tation de la densité de l'alliage-provoquée par L'ad-

dition de Fe; et l'effet de suppression est amélioré en fonction de la quantité de Li ajoutée. En outre,

Li a pour effet d'augmenter le module d'Young et d'ap-

porter une rigidité élevée. Si la proportion de Li ajouté est inférieure à 1,0 % en poids, L'effet de suppression de l'augmentation de densité est faible,

tandis que si elle dépasse 5,0 % en poids., iL appa-

raît un problème du fait que le procédé de fabrica-

tion devient complexe car Li est réactif. [Exemptes de composition] On décrira à présent un certain nombre d'exemples préférés de la composition de l'aLLiage

d'aluminium de la présente invention.

15 ( Si < 18 % en poids, 4 < Fe ( 6 % en poids, 4 4 Cu < 5 % en poids, 1 < Mg < 2 %X en poids, et

i < Co 4 2 X en poids.

Dans ce premier mode de réalisation préféré, la teneur en Fe est ramenée à 6 % en poids ou moins pour réaliser L'abaissement de densité et assurer l'aptitude au forgeage, La teneur en Co est maintenue à 1-2 % en poids, ce qui n'affecte pas dans un sens défavorable L'aptitude au forgeage, pour augmenter

la résistance à haute température lorsque La propor-

tion de Fe est réduite, Cu et Mg sont fixés dans l'in-

tervalle optimum pour améliorer les caractéristiques de frittage et les effets de traitement thermique, et Si est fixé dans l'intervalle optimum pour obtenir une

résistance à l'abrasion, un module d'Young et une usi-

nabilité satisfaisants.

O 15 < Si < 18 % en poids, 4 - Fe < 8 % en poids, 4 ( Cu 4 5 X en poids, I < Mg < 2 % en poids, 0,5 < Co 41,5 Z en poids, et 1,5 < Mn 42,5 Z en poids: Dans cet intervalle de composition, Mn

peut améliorer La dégradation de L'aptitude au façon-

nage résultant de l'-augmentation de Fe, il peut amé-

liorer également La résistance de t'éLément porteur.

Comme iL n'est pas nécessaire de réduire La propor- tion de fer en raison de l'addition de Mn, même si la quantité de Co est supprimée, on peut obtenir une résistance à haute température meilleure que cettLle de La composition d'alliage du premier exempte décrit

ci-dessus.

O 15 ó Si 18 % en poids, 4 < Fe ( 8 X en poids, 4 < Cu 4 5 Z en poids, 1 < Mg 4 2 Z en poids, 0,54 Ci 4 1,5Z en poids, et

2,0< Zn 4 4,0% en poids.

Dans cet intervalle de composition, Zn peut améliorer La résistance à 150200 C en effectuant un

traitement thermique (traitement T6 ou T7).

() 15 C Si 18 Z en poids, 4 4 Fe 4 8 % en poids, 4 4 Cu 5 % en poids, 1 C Mg < 2 % en poids, 0,54 Co 4 1,5% en poids, et

2 4 Li 4 4 % en poids.

Dans cet intervalle de composition, Li supprime efficacement L'augmentation de densité de

L'alliage résultant de Fe.

O 15 < Si 4 18 Z en poids, 4 Fe 4 8 Z en poids, 4 4 Cu 4 5 % en poids, 1 4 Mg 4 2 % en poids, 0,54 Co 4 1,5% en poids, 1,5< Mn 4 2,5% en poids, 2, 5< Zn 4 4,0% en poids, et

2 4 Li 4 4 % en poids.

Les alliages entrant dans cet intervalle de composition ont une résistance à haute température,

une résistance à 150-200 C et une aptitude au for-

geage excellente, et sont d'un poids relativement léger (ils ont une faible densité). O 14 < Si 18 % en poids, 3,0 < Fe < 5,0 % en poids, 2,0 < Cu. 5,0 % en poids, 0,3 6 Mg. 1,5 % en poids, et

0,5 < Mn < 2,5 % en poids.

Conformément à ce mode de réalisation, en ramenant Fe à 5,0 % en poids ou moins, la résistance à la corrosion fissurante est améliorée et une bonne aptitude au forgeage à chaud est assurée, et en outre, en ajoutant Mn, la résistance à haute température est améliorée. De plus, Cu et Mg améliorent efficacement

la résistance d'une matrice d'AL par traitement ther-

mique, et l'alliage est utile pour un élément qui sera utilisé dans une ambiance de températures d'environ

150oC.

O}14 $ Si ( 18 % en poids, 3,0 < Fe < 5,0 % en poids, 2,0 < Cu K 5,0 % en poids, 0,3 < Mg < 1,5 % en poids, 0,5 < Mn 4 2,5 % en poids, et

1,0. Co 4 2,0 % en poids.

Co, dans l'intervalle de composition indiqué,

améliore efficacement la résistance à haute tempéra-

ture lorsque la proportion de Fe ajoutée est réduite dans l'intervalle dans lequel Fe n'agit pas dans un

sens défavorable sur la résistance à la corrosion fis-

surante et sur l'aptitude au façonnage.

O 14 4 Si < 18 % en poids, 3,0 < Fe < 5,0 % en poids, 2,0 < Cu < 5,0 % en poids, 0,3 Mg. 1,5 % en poids, 0,5. Mn 2,5 % en poids, et 2,0 Li - 4,0 % en poids:

Dans L'intervalle de composition indiqué ci-

dessus, Li peut supprimer l'augmentation de La densité

de l'alliage résultant de l'addition de Fe.

O 14 Si 18 % en poids, 3,0 ( Fe 5,0 % en poids, 2,0 Cu ( 5,0 % en poids, 0,3 ( Mg 1,5 % en poids, 0,5 ( Mn. 2,5 % en poids, et

2,0 4 Zn - 4,0 % en poids.

Dans l'intervalle de composition indiqué ci-

dessus, Zn peut améliorer la résistance à 200 C ou

l'abaisser par traitement thermique.

Pour obtenir un élément porteur constitué d'un alliage de Al fritté ayant la composition indiquée

ci-dessus, on utilise un procédé de fabrication compor-

tant les stades respectifs suivants: (1) Stade de fabrication de La poudre: A partir d'un alliage d'aluminium fondu, on

prépare une poudre d'alliage ayant la composition dési-

rée, par exemple par un procédé d'atomisation. Au cours de ce procédé, si la vitesse de refroidissement du métal fondu est inférieure à 103 C/sec., des composés intermétalliques tels que Al3Fe, AL12FeSi, Al9Fe2Si, etc., précipiteront dans un état granulaire grossier, et ceci provoquera un abaissement de la résistance de L'éLément porteur fabriqué. Les tailles des précipités doivent de préférence être inférieures à 10 gm, et la vitesse de refroidissement du métal fondu servant de mesure pour obtenir ces tailles est de 103 C/sec. Si les tailles des précipités dépassent 10 lm, on ne peut guère s'attendre à une amélioration de la résistance à la fatigue, et on rencontre aussi cet inconvénient

que l'aptitude au façonnage est dégradée.

(2) Stade de compression de La poudre: Dans l'atmosphère, on effectue Le façonnage à une température de façonnage de 3500C ou moins et sous une pression de façonnage de 1,5 - 5,0 tonnes/cm2, et L'on obtient ainsi un corps de poudre comprimée ayant un rapport de densité de 70 X ou davantage. La raison en est que si La température de façonnage

dépasse 350 C, iL se produit une oxydation de la sur-

face de la poudre, et par conséquent Les caractéris-

tiques de frittage dans le stade d'extrusion uttérieur sont détériorées. Pour éviter L'oxydation, it suffit de choisir une atmosphère de gaz inerte, mais comme ta productivité et l'économie sont abaissées de ce

fait, un façonnage dans l'atmosphère est recommandé.

En outre, si la pression de façonnage est inférieure à 1,5 tonne/cm2, il est difficile de manipuler le corps de poudre compressée sans l'endommager, et par conséquent La productivité de masse diminue, tandis que si cette pression dépasse 5,0 tonnes/cm2, La vie du moule métaltLique est raccourcie et par conséquent on se trouve devant cet inconvénient que la taille

de l'installation devient importante et que la pro-

ductivité de masse est perdue. Le rapport de densité est déterminé par la pression de façonnage, et si ce rapport est inférieur à 70 %, la manipulation du corps de poudre comprimée devient difficile, ce qui conduit à un abaissement de la productivité et ceci devient la cause principale d'abaissement de la résistance de l'élément porteur fabriqué. D'autre part, si l'on tient compte de l'aptitude au façonnage dans les stades ultérieurs (principalement dans le stade

d'extrusion), il est préférable de maintenir le rap-

port de densité à 85 % ou moins.

(3) Stade d'extrusion: On soumet le corps de poudre comprimée préparé pour servir de matière première à L'extrusion à une

extrusion dans un intervalle de température de 300-400 C.

Si la température de travail est inférieure à 300 C, la résistance à la déformation de la matière première

est importante, par conséquent le travail devient dif-

ficile, et en particulier si la quantité de Fe dans la matière première augmente, la dureté de La poudre augmente et les caractéristiques de frittage sont détériorées. Par conséquent, on doit opérer à une température de 300 C ou davantage. D'autre part, si La température de travail dépasse 400 C, les grains

des cristaux et les composés intermétalliques croÂ-

tront, ce qui conduira à des grains grossiers, de sorte que l'on ne pourra pas obtenir les propriétés

mécaniques exigées pour L'élément porteur fabriqué.

En particulier, si la quantité d'éléments d'addition est augmentée, la température eutectique est abaissée, et il peut se produire une combustion, conduisant à une détérioration des caractéristiques de frittage; par conséquent on doit opérer à une température de

400 C ou moins.

IL est à noter que si L'on tient compte de La prévention de l'oxydation de L'article façonné, il

est préférable de travailler en atmosphère non oxy-

dante, par exemple dans l'argon, l'azote, etc. (4) Stade de forgeage: Après avoir effectué l'opération de forgeage

dans un intervalle de température de 300-495 C en uti-

lisant un moule métallique de forgeage qui a été chauffé au préalabLe jusqu'à 1500C ou davantage, on refroidit le corps travaiLtté. Si la température du moule métallique est inférieure à 150 C lorsque la matière première destinée au forgeage qui a été obtenue par l'opération d'extrusion est introduite dans Le moule métallique, la température de surface de cette

* matière première est brusquement abaissée, par con-

séquent des fissures sont susceptibles de se former lors de l'opération de forgeage et le rendement sera

abaissé. Cependant, si la température du moule métal-

lique dépasse 450 C, la lubrification du moule métal-

lique devient difficile, ce qui raccourcit la vie du

moule, et abaisse la productivité de masse.

En outre, si la température de l'opération de forgeage est inférieure à 300 C, la résistance à

la déformation augmente, conduisant à une détériora-

tion de l'aptitude au forgeage, tandis que si elle dépasse 495 C, les propriétés mécaniques du produit

sont détériorées. Le refroidissement après l'opéra-

tion de forgeage peut être soit un refroidissement

à l'air, soit un refroidissement à l'eau.

[Exemple d'essai I]

Premier stade: les poudres d'alliage d'alu-

minium respectives présentant les compositions indi-

quées dans le tableau 2 sont fabriquées à une vitesse de refroidissement de 104- 105 C/sec. par un procédé d'atomisation (exemples comparatifs a, b et c: exemples de l'invention A, B,..., G), et, en partant des poudres d'alliage respectives, on façonne des matières premières pour l'extrusion ayant un rapport de densité de 75 %, un diamètre de 225 mm et une longueurde 300 mm en comprimant les poudres par un procédé de compression isostatique à froid ( procédé CIP) ou par un procédé de façonnage par compression

en moule métallique.

Dans le procédé de compression isostatique à froid, la poudre d'alliage est introduite dans un tube de caoutchouc, et le façonnage est effectué sous une pression isostatique d'environ 147 à 294 MPa, tandis que dans le procédé de façonnage par

SR 3121 JP/GL

compression en moule métallique, la poudre d'alliage

est introduite dans un moule métallique, et le façon-

nage est effectué à la température ambiante, dans L'atmosphère, sous une pression d'environ 147 à 294 MPa.

Second stade: Les matières premières res-

pectives pour l'extrusion sont placées dans un four à recuisson ayant une température de four de 350 C, et elles y sont maintenues pendant dix heures, après quoi les matières premières d'extrusion respectives sont soumises à une opération d'extrusion à chaud, et l'on obtient ainsi des matières premières pour le forgeage. Le procédé d'extrusion peut dans ce cas être soit une extrusion directe (extrusion vers l'avant), soit une extrusion indirecte (extrusion indirecte), mais il est nécessaire d'avoir un rapport

d'extrusion de 5 ou davantage. Si le rapport d'extru-

sion est inférieur à 5, la répartition des résistances devient grande, et par conséquent défavorable. La température de la matière première pour l'opération

d'extrusion est fixée à 300-400 C. Si elle est infé-

rieure à 300 C, la résistance à la déformation de la

matière première devient importante, et par consé-

quent l'aptitude à l'extrusion se détériore, tandis que si elle dépasse 400 C, la structure métallurgique devient plus grossière, et par conséquent on ne peut

pas obtenir des produits ayant une résistance élevée.

Après l'opération d'extrusion, la matière première de l'opération de forgeage est refroidie à une vitesse de

refroidissement déterminée à l'avance, soit par refroi-

dissement à l'air, soit par refroidissement à l'eau.

Troisième stade: on chauffe ensuite les matières premières respectives pour le forgeage jusqu'à

460-470 C, puis on les soumet à une opération de for-

geage à chaud à grande vitesse, à une vitesse de mm/sec. (à peu près la même vitesse de travail

SR 3121 JP/GL

que celLe de l'opération de forgeage pour Le dura-

lumin) au moyen d'une presse à maniveLLe.

Les articles façonnés à la forge respectifs

ainsi obtenus sont soumis à un traitement de du.rcis-

sement par vieillissement artificiel après le recuit d'homogénéisation au stade solidus (traitement T6), puis on découpe des éprouvettes de traction ayant un

diamètre de la partie paraltèLe de 3 mm et une lon-

gueur de la partie parallèle de 25 mm, et après les avoir maintenues à 200 C pendant quarante-huit heures,

on effectue des essais de traction à la même tempéra-

ture. En outre, on découpe des éprouvettes en forme de plaques de 80 mm de long, 10 mm de large et 2 mm d'épaisseur dans Les articles façonnés par forgeage

après que le traitement de durcissement par vieillis-

sement artificiel consécutif au traitement de recuit d'homogénéisation au stade solidus (traitement T6), conforme à la JIS H8711 a été effectué, et, après avoir laissé les éprouvettes pendant vingt-huit jours

dans une solution aqueuse de NaCl ayant une concentra-

tion de 3,5 % à une température du liquide de 30 C, -

en réglant la contrainte de charge à 0,2 x 0,9 (o

0,2 représente 0,2 % de la valeur de la limite appa-

rente d'élasticité de chaque alliage A-G, a-c), on confirme la présence ou l'absence de formation de fissures. Les résultats d'essais sont donnés dans le tableau 3. On observe qu'en ce qui concerne les échantillons a et F, la densité a été mesurée, et les résultats de la mesure sont également donnés dans

le tableau 3.

i i i i ii i ri i i i i i i l I --- -

Composition chimique (X en poids) Si Fe Cu Mg Mn Zn Li Co

A 17,2 4,3 4,5 1,2 1,8 - - -

Exemples B 17,9 4,3 2,5 0,5 1,8 - - -

de la C 17,2 4,2 4,5 1,0 0,8 - - - N

présente D 17,2 4,2 2,5 0,5 0,8 - - -

invention

E 17,6 4,0 2,5 0,5 1,0 - - 1,5

F 17,2 4,3 4,5 1,2 1,8 - 2,5 -

G 17,2 4,2 2,5 0,5 0,8 2,5 - -

a 17,8 4,8 4,1 0,8. .

ExempLes

comparatifs b 17,1 7,6 4,2 1,8. ..

c 17,0 0,3 4,5 0,5. .

ii en "-.

TABLEAU 3

Résistance à Essai de corrosion fissurante Traitement Densité la traction (selon la norme JIS H8711) tem e n 2 à 2000C(MPa) Présence ou absence de fissures thermique (g/cm)

A 265 absence T6 -

EMpLes B 260 absence T6 -

<empLes

de L'in- C 260 absence T6 -

vention

D 245 absence T6 -

E 279 absence T6 -

F 265 absence T6 2,75

G 260 absence T6 -

Exemplesa 245 présence T6 2,83

ExempLes

compa- b 299 présence T6 -

ratifs c 157 absence T6 rl -1' -' _!J Comme il ressort du tableau 3, pour tous les exemples de l'invention A-G, il ne se produit pas de fissures par corrosion sous contraintes, et en outre la résistance à la traction à 200 C est excellente. Au contraire, dans le cas des exemples comparatifs a et b ne contenant pas de Mn, il se produit une fissuration par corrosion sous contraintes, et en ce qui concerne l'exemple comparatif sc, bien qu'il ne contienne pas de Mn, en raison du fait que

la teneur en Fe est de 0,3 % en poids, il ne se pro-

duit pas de fissuration par corrosion sous contraintes, et en raison de l'absence de Fe, la résistance à La

traction à 200 C est faible.

[Exemple d'essai II1 Premier stade: en partant des poudres

d'alliage d'aluminium respectives ayant les composi-

tions indiquées dans le tableau 4 (exemples compara-

tifs a, b et c; exemples de l'invention H, I, J, K et L), on prépare des matières premières pour L'opération d'extrusion par un procédé semblable au cas de l'exemple d'essai I, et on façonne des matières premières pour l'opération d'extrusion ayant un rapport de 75 %, un

diamètre de 225 mm et une longueur de 300 mm en compri-

mant les poudres par un procédé de compression iso-

statique à froid (procédé C. I. P.) ou par un procédé

de façonnage par compression en moule métallique.

Second stade: on place les matières pre-

mières pour l'opération d'extrusion respective dans un four à recuisson ayant une température de four de 350 C et on les y maintient pendant dix heures, puis on soumet les matières premières pour l'opération d'extrusion respectives à une opération d'extrusion à chaud pour préparer des matières premières pour

l'opération de forgeage.

Troisième stade: on chauffe ensuite Les matières premières pour forgeage respectives jusqu'à

460-470 C, puis on les soumet à une opération de for-

geage à chaud à grande vitesse, à une vitesse de tra-

vail de 75 mm/sec. au moyen d'une presse à manivelle.

Sur les articles façonnés par forgeage res-

pectifs obtenus de la manière décrite ci-dessus, on

contrôle La présence ou l'absence de fissures provo-

quées par le forgeage et la dureté après refroidisse-

ment à l'air, et on effectue un traitement de durcis-

sement par vieillissement artificiel après Le traite-

ment de recuit d'homogénéisation au stade solidus (traitement T6), puis on expose les éprouvettes à une température élevée, à 2000C pendant quarante-huit heures et à 300 C pendant quarante-huit heures, et on mesure la dureté résiduelle à la température ambiante. En outre, pour les éprouvettes d, K et L, on mesure La densité et les résultats de La mesure

sont donnés dans le tableau 5.

TABLEAU 4

Eléments d'addition (% en poids) Si Fe Cu Mg Co Mn Zn Li

H 17,5 4,8 4,1 1,2 1,6 - - -

Exemples I 17,2 7,0 4,5 1,4 0,6 2,1 - -

de l'in- J 15,2 4,6 4,7 1,3 0,6 - 2,3 -

vention K 17,2 5,2 4,2 1,5 0,8 - - 2,3

L 15,5 4,6 4,3 1,2 0,8 1,8 2,2 2,2

Exemptes d 14,4 5,5 4,2 0,87 - - - -

compa- e 15,2 6,8 3,9 1,90 - -

ratifs f 15,7 7,9 4,2 0,66 -

TABLEAU 5

1. Fissures2. Dureté (HB)3. Dureté (HB)4. Dureté (HB)5. Dureté6. Densité après à L'état après Le après 48 h après (g/cm3) forgeage refroidi à traitement b 2000 C 48 h l'air après T6 à 3000C forgeage H absence 76 84 84 83 I absence 92 98 96 94

ExempLes

de L'in-J absence 68 102 94 88 -

ventionN K absence 82 88 87 86 2,73 L absence, 79 110 100 98 2,77 d absence 71 89 85 77 2,82

ExempLes

compa- e présence 85 - -

ratifs

f présence 95. .

_ _ i iiii i i i i roll i lullI [ [Evaluation des résultats d'essais] Q Comme il ressort des tableaux 4 et 5,

dans Le cas des alliages t et f (exemples compara-

tifs), des fissures sont formées par l'opération de forgeage à chaud, et par conséquent on ne peut pas obtenir d'article façonné par forgeage satisfaisant. O En comparant les alliages d et H, on

voit que L'addition de Co est efficace pour L'amé-

lioration de la détérioration de la dureté provoquée

par le chauffage à haute température, et en particu-

lier pour l'amélioration de la détérioration de la dureté lorsque l'alliage est chauffé jusqu'à 300 C

(colonnes 4 et 5 du tableau 5).

O En comparant les alliages H et I, on

voit que si l'on ajoute du Mn, l'opération de for-

geage est possible sans réduire le Fe, et l'on peut par conséquent éviter la détérioration de la dureté

provoquée par le chauffage à haute température.

O En comparant les alliages H et J, on voit que si l'on ajoute du Zn, l'augmentation de la

dureté, en particulier dans le cas du chauffage jus-

qu'à 200 C, est remarquable.

( En comparant les alliages d, K et L,

on voit que dans le cas des alliages K et L, la dété-

rioration de la dureté provoquée par le chauffage à haute température est faible (voir colonnes 4 et 5 du tableau 5), et que le Li a pour effet d'abaisser

la densité.

Comme iL ressort clairement de la descrip-

tion ci-dessus, un alliage d'aluminium résistant à la chaleur, à haute résistance, ayant une bonne aptitude au forgeage et une résistance élevée, et un procédé pour fabriquer un élément porteur constitué de cet alliage ont été proposés. Conformément à la présente invention, la résistance à haute température et le module d'Young sont augmentés en ajoutant Fe et Si à L'AL, d'autre part la quantité de fer est abaissée autant que possible tout en réalisant un renforcement par traitement thermique de la matrice d'Al en ajou- tant Cu et Mg, l'abaissement de la résistance à haute

température provoqué par l'abaissement de La propor-

tion de fer est compensé par L'addition de Co, L'ap-

titude au forgeage à chaud est augmentée et La résis-

tance à la fissuration par corrosion sous contraintes

est améliorée en ajoutant Mn, et l'on peut aussi obte-

nir un élément porteur de haute résistance ayant une bonne résistance à La chaleur et une bonne durabilité en effectuant une opération de forgeage à chaud à

grande vitesse.

En outre, bien que l'alliage de AL con-

forme à la présente invention soit une matière à haute résistance, et puisse donc difficilement être travaiLlé par le procédé de façonnage classique dans lequel le façonnage est effectué par travail à chaud d'une matière première coulée, on peut obtenir un

alliage d'aluminium fritté sain, résistant à la cha-

leur, de haute résistance, par les stades consistant à préparer une poudre à une vitesse de refroidissement déterminée à l'avance, à façonner par compression la poudre de façon à avoir un rapport de densité de 70 % ou davantage, à effectuer une opération d'extrusion à une température de 300-400 C, puis à effectuer une

opération de forgeage à une température de 300-495 C.

Claims

REVENDICATIONS

1. Alliage d'aluminium résistant à La cha-

leur, présentant une résistance élevée, contenant Mn et/ou Co en plus de Si, Fe, Cu et Mg dans l'intervalle

de composition chimique suivant, te reste étant cons-

titué des impuretés inévitables et d'AL 8,0 4 Si < 30,0 % en poids, 2,0 4 Fe < 33,0 % en poids, 0,8 4 Cu 4 7,5 % en poids, 0,3 4 Mg 4 3,5 % en poids, 0,5 4 Mn 4 5,0 % en poids, et

0,5 4 Co 4 3,0 % en poids.

2. Alliage d'aluminium résistant à la cha-

leur, présentant une résistance -élevée, suivant la

revendication 1, qui contient Zn et/ou Li dans l'in-

tervalle de composition chimique de 0,5 4 Zn 10,0 %

en poids et 1,0 4 Li 4 5,0 % en poids.

3. Procédé de fabrication d'un élément por-

teur fabriqué à partir d'un alliage d'aluminium fritté

résistant à la chaleur, présentant une résistance éle-

vée, comportant: - un stade de préparation d'une poudre dans lequel l'alliage d'aluminium fondu est trempé et

solidifié à une vitesse de refroidissement de 103 C/sec.

ou davantage pour obtenir une poudre; - un stade de compression de la poudre dans lequel cette poudre d'alliage d'aluminium est façonnée par compression à une température de 350 C ou moins et sous une pression-de façonnage de 147 à 490 MPa pour obtenir une matière première pour extrusion ayant un rapport de densité de 70 %

ou davantage; -

- un stade d'extrusion dans lequel cette-

matière première pour extrusion est soumise à une extrusion à chaud à une température de 300-4000 C pour obtenir une matière première pour leforgeage; et

SR 3121 JP/GL

- un stade de forgeage dans lequel, après que cette matière première pour Le forgeage a été façonnée par forgeage à une température de 300-495 C en utilisant un mouLe métalLique qui a été chauffé au préalable jusqu'à une température de 150 C ou davan-

tage, Le corps façonné par forgeage est refroidi.

4. Procédé de fabrication d'un élément por-

teur fabriqué à partir d'un alliage d'aluminium fritté

résistant à la chaleur, présentant une résistance éle-

vée, suivant la revendication 3, dans lequel cet alliage d'aluminium contient Mn et/ou Co en plus de Si, Fe, Cu

et Mg dans l'intervalle de composition chimique sui-

vant: 8,0 4 Si 4 30,0 % en poids, 2,0 ( Fe 4 33,0 % en poids, 0,8 ( Cu 7, 5 Z en poids, 0,3 4 Mg < 3,5 X en poids, 0,5 Mn 5,0 Z en poids, et

0,5 Co 3,0 % en poids.