FR3032204A1

FR3032204A1 - ALUMINUM LOW SILICON ALLOY PIECE

Info

Publication number: FR3032204A1
Application number: FR1550700A
Authority: FR
Inventors: Romain Epale; Serio Emile Thomas Di
Original assignee: Saint Jean Industries SAS
Current assignee: Saint Jean Industries SAS
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-08-05
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: MA41422A; HUE039737T2; MX2017009828A; HRP20181682T1; ES2689908T3; KR20170107458A; JP6768677B2; EP3250722B1; TR201815694T4; RU2017126680A3; BR112017016024A2; CA2973937A1; CN107208197A; WO2016120541A1; US20180002788A1; BR112017016024B1; RS57888B1; DK3250722T3; CN107208197B; PT3250722T

Abstract

La pièce en alliage d'aluminium bas silicium comprend du silicium, du magnésium, du cuivre, du manganèse, du titane et du strontium ladite pièce étant obtenue par un procédé selon lequel : - on coule dans un moule ledit alliage pour obtenir la pièce, - après la coulée, on démoule la pièce constituant une préforme encore chaude, - on refroidit ladite préforme que l'on soumet ensuite à une opération apte à la réchauffer à une température comprise entre 470 °C et 550 °C, - on positionne ladite pièce entre deux coquilles d'une matrice finissant une empreinte de dimensions sensiblement égales, mais inférieures à celle du moule, - on presse fortement les deux coquilles l'une contre l'autre pour exercer sur la pièce disposée entre lesdites coquilles un effet combiné de pressage et de corroyage superficiel.The low silicon aluminum alloy part comprises silicon, magnesium, copper, manganese, titanium and strontium, said part being obtained by a process according to which: said alloy is cast in a mold to obtain the part, after casting, the part constituting a preform that is still hot is demolded; said preform is cooled down and then subjected to an operation able to heat it to a temperature of between 470.degree. C. and 550.degree. C.; part between two shells of a matrix finishing an impression of substantially equal dimensions, but smaller than that of the mold, - the two shells are urged against each other to exert on the part arranged between said shells a combined effect of pressing and surface treatment.

Description

L'invention se rattache au secteur technique de la fonderie, pour la fabrication de pièces aluminium, notamment dans le domaine de l'automobile, de l'aéronautique et plus généralement, tous types d'industries. Il existe de nombreux alliages dit « bas silicium ». Ces alliages présentent de hautes caractéristiques mécaniques après traitement thermique T6 (Rp0,2 300 MPa ; A% 8 %). Ils sont rassemblés dans la série 6000 (Al- Mg-Si) de la classification des alliages d'aluminium. Les plus connus sont les 6082, 6061, 6151. De nombreuses compositions existent également avec des teneurs semblables aux alliages normés, parmi lesquelles on peut citer par exemple le document EP 0 987 344.The invention relates to the technical sector of the foundry, for the manufacture of aluminum parts, particularly in the field of automotive, aerospace and more generally, all types of industries. There are many alloys called "low silicon". These alloys have high mechanical properties after T6 heat treatment (Rp0.2 300 MPa, A% 8%). They are collected in the 6000 series (Al-Mg-Si) of the classification of aluminum alloys. The most known are the 6082, 6061, 6151. Many compositions also exist with contents similar to the standardized alloys, among which we can cite for example the document EP 0 987 344.

Les alliages cités ont été développés pour l'obtention de produits semi-finis (billettes ou lingots pour forge ou laminage) destinés à être transformés lors d'opérations à chaud ou à froid avec de grands taux de déformation (> 50 %). De plus les géométries de ces produits semi-finis sont simples (barre, barreau ou lingot) ce qui permet de solidifier ces alliages avec un minimum de défauts en utilisant des procédés avec de hautes vitesses de solidification. Ces géométries et ces procédés conduisent selon des techniques aujourd'hui maîtrisées, à des produits semi-finis exempts de défauts parmi lesquels on peut citer : retassures, criques, macroségrégations, macro-précipitations (prévient la formation de précipités trop grossiers, >100 !am). A partir de cet état de la technique, le problème posé que se propose de résoudre l'invention est de pouvoir réaliser des pièces répondant à des normes de qualité et de sécurité élevées, et susceptibles d'avoir des formes complexes. Pour résoudre ce problème, l'objet de l'invention porte sur un alliage bas silicium, type 6000, destiné à la fabrication de pièces obtenues par le procédé connu sous la marque COBAPRESS. Plus particulièrement, l'invention concerne une pièce en alliage d'aluminium bas silicium, comprenant du silicium, du magnésium, du cuivre, du manganèse, du titane et du strontium ladite pièce étant obtenue par un procédé selon lequel : on coule dans un moule ledit alliage pour obtenir la pièce, après la coulée, on démoule la pièce constituant une préforme encore chaude, on refroidit ladite préforme que l'on soumet ensuite à une opération apte à la réchauffer à une température comprise entre 470 °C et 550 °C. on positionne ladite pièce entre deux coquilles d'une matrice définissant une empreinte de dimensions sensiblement égales, mais inférieures à celle du moule, on presse fortement les deux coquilles l'une contre l'autre pour exercer sur la pièce disposée entre lesdites coquilles un effet combiné de pressage et de corroyage superficiel. Dans une forme de réalisation, après refroidissement de la préforme, cette dernière est réchauffée en étant disposée dans un four tunnel. Il résulte de ces caractéristiques que l'opération de fonderie suivie de la forge en une étape de la préforme ne présentent pas les mêmes paramètres de températures, vitesse de solidification, taux de déformation, température de forge que les procédés de l'état antérieur de la technique. L'alliage revendiqué répond à ces contraintes et permet d'obtenir des pièces avec une qualité satisfaisante, tout particulièrement si celles-ci relèvent d'une obligation de sécurité (pièce de liaison au sol = pièces de sécurité). Parmi ces contraintes, on note, à titre d'exemple : - la géométrie de la préforme, contrairement à des barreaux ou des lingots, comprend dès sa conception les ébauches des zones fonctionnelles de la pièce et peut donc avoir une géométrie complexe comprenant des nervures ou des variations de section conduisant à des masses isolées de métal liquide. Ces masses isolées peuvent être « tolérées » en augmentant le taux de silicium (type AS7G03, alliage standard de fonderie). Une diminution de ce taux rend l'alliage plus sensible lors de la solidification et conduit à des défauts de retassure (porosités) plus nombreux et d'un volume plus important. - l'intervalle de solidification, qui est défini par la différence entre la température de liquidus et la température eutectique de l'alliage considéré. Pour un alliage, type AS7G03 modifié au strontium, cet intervalle est de 50 °C env. (611 °C - 562 °C). Pour un alliage bas silicium type 6000, il est de l'ordre de 90 °C (655 °C - 562 °C) en retenant la précipitation des Mg2Si macroscopiques (ou du silicium) comme pseudo palier eutectique. Un intervalle de solidification grand conduit à une zone pâteuse plus étendue à travers la pièce, de sorte qu'il devient plus difficile de diriger le front de solidification pour réduire les défauts comme cela se fait traditionnellement et presque naturellement avec un alliage AS7G03. - l'AS 7G03 a une sensibilité presque nulle à la crique du fait de la grande quantité d'eutectique qui va pouvoir combler les criques qui apparaissent lors du retrait en solidification. Ce n'est pas le cas d'un alliage bas silicium, qui comporte très peu d'eutectique ce qui entraine une forte sensibilité à la crique et demande d'adapter la composition et de maîtriser les gradients thermiques de solidification. Il est également nécessaire d'ajuster la composition chimique pour obtenir le meilleur compromis entre les paramètres de fonderie, de forge, de traitement thermique et les caractéristiques mécaniques voulues sur pièces finies Dans ce but on détaille ci-après chacun des éléments de l'alliage, leur teneur et les effets ayant conduit à retenir ces valeurs : Le taux de silicium est compris entre 0,5 et 3 %. Un taux de silicium inférieur à 1%, conduit aux limites élastiques et allongements les plus élevés. Cependant, il s'agit du taux pour lequel l'alliage est le plus sensible à la crique et a la plus faible coulabilité. Il est donc nécessaire de pouvoir adapter le taux de silicium en fonction de la géométrie de la pièce. Des géométries complexes demanderont un taux plus élevé afin de réduire cette sensibilité à la crique. Le taux maximum de 3% correspondant à un taux au- delà duquel l'allongement et la limite élastique deviennent trop faibles pour qu'il soit toujours intéressant de produire avec un alliage de ce type. Le taux de magnésium est compris entre 0, 65 et 1 %. Ce taux permet d'optimiser la densité de précipités Mg2Si dans la matrice aluminium. Il compense la diminution du taux de silicium tout en ayant un minimum de précipités Mg2Si macroscopiques qui sont endommageant et doivent être dissouts ou transformés lors du traitement thermique. Si les précipités sont trop nombreux, ou trop gros, le traitement thermique n'aura qu'un faible effet pour leur dissolution, la taille critique de dissolution ayant été dépassée. Le taux de cuivre est compris entre 0,20 et 0,40 %. Ce taux permet la formation de précipités Al2Cu dans la matrice et l'absence totale de précipités Al2Cu macroscopiques. L'absence de ces précipités macroscopiques permet de conserver des températures de forge élevées et ainsi de minimiser les efforts de forge (qui est réalisée en une seule étape). En effet, les principaux précipités formés en présence de cuivre sont Al2Cu et AlMgSiCu fondant respectivement à 490 °C et 525 °C, leur présence empêcherait de forger à des températures plus élevées sans risque de brûlure de l'alliage qui rendrait les pièces inutilisables. Cette dégradation s'apparente à une destruction de l'alliage. Un taux de cuivre plus élevé augmente aussi la sensibilité à la crique de l'alliage, car il reste un eutectique à solidifier à des températures faibles (490 °C ou 525 °C) pour lesquels les contraintes mécaniques (liées au retrait de solidification) exercées sur la pièce sont importantes. Le taux de manganèse est compris entre 0,15 et 0,25 %. Ce taux évite la formation de précipités AlFeSi sous forme f3 (plaque très endommageante) et permet de former plutôt des précipités AlFeMnSi sous forme a (écriture chinoise moins endommageante). Ceci permet de maximiser l'allongement sur pièce finie résultant du procédé Cobapress. Cet effet est le plus souvent utilisé avec des quantités plus importantes de manganèse et de fer, ces deux éléments conduisant à un fort durcissement de l'alliage mais également à de plus gros précipités lors de la solidification. Ces gros précipités sont pénalisants pour un bon allongement. Cependant, l'alliage selon l'invention est destiné, comme indiqué, au procédé COBAPRESS, selon lequel on forge en une seule étape, qui ne présente pas les grandes déformations rencontrées en forge, laminage ou extrusion. Ces grandes déformations permettent de fragmenter ces gros précipités et de les rendre beaucoup moins endommageant tout en conservant leur effet durcissant. Dans le cas de l'alliage, selon l'invention, il convient de minimiser dès la coulée l'impact des précipités à base de fer sur les caractéristiques mécaniques. En effet, leur morphologie ne sera plus modifiée, la forge en une étape ne déformant pas suffisamment la pièce pour changer leur morphologie Enfin, ce taux de manganèse est adapté aux vitesses de refroidissement obtenues lors de la coulée en moule permanent, en regard de ces vitesses, il favorise la formation de précipités AlFeMnSi sous-forme a.The alloys mentioned have been developed for obtaining semi-finished products (billets or ingots for forging or rolling) intended to be transformed during hot or cold operations with high deformation rates (> 50%). In addition, the geometries of these semi-finished products are simple (bar, bar or ingot) which makes it possible to solidify these alloys with a minimum of defects by using processes with high solidification rates. These geometries and these processes lead according to currently mastered techniques, to semi-finished products free of defects among which we can mention: shrinkage, cracks, macrosegregations, macro-precipitation (prevents the formation of too coarse precipitates,> 100! am). From this state of the art, the problem posed by the invention is to be able to achieve parts meeting high quality and safety standards, and likely to have complex shapes. To solve this problem, the object of the invention relates to a low silicon alloy, type 6000, for the manufacture of parts obtained by the method known under the brand COBAPRESS. More particularly, the invention relates to a low silicon aluminum alloy part comprising silicon, magnesium, copper, manganese, titanium and strontium, said part being obtained by a process according to which: it is cast in a mold said alloy to obtain the workpiece, after casting, the part constituting a still hot preform is demolded, said preform is cooled down and then subjected to an operation capable of heating it to a temperature of between 470.degree. C. and 550.degree. . said piece is positioned between two shells of a die defining a footprint of substantially equal dimensions, but smaller than that of the mold, the two shells are strongly urged against each other to exert an effect on the part arranged between said shells. combined pressing and surface treatment. In one embodiment, after cooling the preform, the latter is heated by being placed in a tunnel oven. It follows from these characteristics that the foundry operation followed by forging in one step of the preform do not have the same temperature parameters, solidification rate, deformation rate, forging temperature as the processes of the prior state of the preform. the technique. The claimed alloy responds to these constraints and makes it possible to obtain parts with a satisfactory quality, especially if they come under a safety obligation (ground connection piece = safety parts). Among these constraints, we note, by way of example: the geometry of the preform, unlike bars or ingots, comprises from its conception the blanks of the functional areas of the part and can therefore have a complex geometry comprising ribs or sectional variations leading to isolated masses of liquid metal. These insulated masses can be "tolerated" by increasing the silicon content (AS7G03 type, standard foundry alloy). A decrease in this rate makes the alloy more sensitive during solidification and leads to more numerous and larger volume shrinkage defects (porosities). the solidification range, which is defined by the difference between the liquidus temperature and the eutectic temperature of the alloy in question. For an alloy, type AS7G03 modified with strontium, this interval is 50 ° C approx. (611 ° C - 562 ° C). For a low silicon type 6000 alloy, it is of the order of 90 ° C (655 ° C - 562 ° C) while retaining the precipitation of macroscopic Mg2Si (or silicon) as eutectic pseudo-plateau. A large solidification range leads to a larger pasty area across the workpiece, so that it becomes more difficult to direct the solidification front to reduce defects as is traditionally and almost naturally with an AS7G03 alloy. - AS 7G03 has a virtually zero sensitivity to the crack because of the large amount of eutectic that will be able to fill the cracks that appear during solidification shrinkage. This is not the case of a low silicon alloy, which has very little eutectic which causes a high sensitivity to crack and requires to adapt the composition and control the thermal gradients of solidification. It is also necessary to adjust the chemical composition to obtain the best compromise between the foundry, forging, heat treatment parameters and the desired mechanical characteristics on finished parts. For this purpose, each of the elements of the alloy are described below. , their content and the effects that led to these values being retained: The silicon content is between 0.5 and 3%. A silicon content of less than 1% leads to the highest elastic limits and elongations. However, this is the rate at which the alloy is most sensitive to crack and has the lowest flowability. It is therefore necessary to be able to adapt the silicon content according to the geometry of the part. Complex geometries will require a higher rate to reduce this crack sensitivity. The maximum rate of 3% corresponds to a rate beyond which the elongation and the elastic limit become too low so that it is always interesting to produce with an alloy of this type. The magnesium level is between 0, 65 and 1%. This rate makes it possible to optimize the density of Mg2Si precipitates in the aluminum matrix. It compensates for the decrease in silicon content while having a minimum of macroscopic Mg2Si precipitates that are damaging and must be dissolved or transformed during heat treatment. If the precipitates are too numerous, or too big, the heat treatment will have a weak effect for their dissolution, the critical size of dissolution having been exceeded. The copper content is between 0.20 and 0.40%. This rate allows the formation of Al2Cu precipitates in the matrix and the total absence of macroscopic Al2Cu precipitates. The absence of these macroscopic precipitates makes it possible to maintain high forging temperatures and thus to minimize forging efforts (which is carried out in a single step). Indeed, the main precipitates formed in the presence of copper are Al2Cu and AlMgSiCu respectively melting at 490 ° C and 525 ° C, their presence would prevent forging at higher temperatures without risk of burning of the alloy that would make the parts unusable. This degradation is similar to a destruction of the alloy. A higher copper content also increases the crack sensitivity of the alloy, because there remains a eutectic to be solidified at low temperatures (490 ° C or 525 ° C) for which the mechanical stresses (related to the removal of solidification) exercised on the piece are important. The manganese content is between 0.15 and 0.25%. This rate avoids the formation of alFeSi precipitates in f3 form (very damaging plate) and makes it possible to form AlFeMnSi precipitates in the α form (Chinese writing less damaging). This maximizes the finished part elongation resulting from the Cobapress process. This effect is most often used with larger amounts of manganese and iron, these two elements leading to a hardening of the alloy but also to larger precipitates during solidification. These large precipitates are penalizing for a good elongation. However, the alloy according to the invention is intended, as indicated, the COBAPRESS process, which is forged in a single step, which does not have the large deformations encountered in forging, rolling or extrusion. These large deformations can break these large precipitates and make them much less damaging while maintaining their hardening effect. In the case of the alloy, according to the invention, the impact of the iron-based precipitates on the mechanical characteristics should be minimized as soon as they are poured. Indeed, their morphology will not be changed, forging in one step does not deform the room enough to change their morphology Finally, this rate of manganese is adapted to the cooling rates obtained during the casting permanent mold, with regard to these speeds, it promotes the formation of precipitates AlFeMnSi subform a.

Le taux de titane est compris entre 0,10 et 0,20 %. Ce taux est nécessaire pour une germination efficace des grains et une taille de grain fine qui a un effet important sur les caractéristiques mécaniques de ces alliages.The titanium content is between 0.10 and 0.20%. This rate is necessary for efficient seed germination and fine grain size which has a significant effect on the mechanical characteristics of these alloys.

Le taux de strontium est compris entre 0 et 120 ppm. Ce taux est nécessaire pour avoir une solidification fibreuse des faibles quantités d'eutectique qui se forment. Ceci se produit majoritairement pour des taux de silicium supérieurs à 1,5 %.The strontium level is between 0 and 120 ppm. This rate is necessary to have a fibrous solidification of the small amounts of eutectic that are formed. This occurs mainly for silicon levels higher than 1.5%.

On a ui que la composition de cet alliage est adaptée pour conduire à une solidification qui permettra de maximiser les caractéristiques mécaniques malgré les faibles niveaux de déformation rencontrés lors du procédé Cobapress.The composition of this alloy has been adapted to lead to a solidification which will make it possible to maximize the mechanical characteristics despite the low levels of deformation encountered during the Cobapress process.

Toutefois, des défauts de solidification persistent, défauts de solidification intergranulaire de retassure localisée aux joints de grains avec une morphologie ramifiée et diffuse qui fragilise la pièce de fonderie. L'opération de forge Cobapress permet de refermer et de ressouder ces défauts avec une maîtrise en conception du taux de déformation. Le couple température/déformation permet une ressoudure des défauts. Le tableau, ci-dessous, présente les caractéristiques mécaniques sur pièce de fonderie et sur pièces, selon le procédé Cobapress, après traitement thermique T6 de l'alliage bas silicium. On peut noter l'amélioration de limite à rupture Rm et de l'allongement à rupture : ETATS Rp0,2 [Mpa Rm [Mpa A% [%] Fonderie AlMgSiCu + 16 300 315 1,3 CobapressTm AlMgSiCu + 16 300 340 8 Rp = Limite élastique Rm = Résistance mécanique A% = Allongement Enfin, cette composition permet de diminuer la complexité du traitement thermique usuel pour des alliages type Al-Mg-Si-Cu. Le taux de silicium, les vitesses de solidification et l'affinage du grain conduisent à des précipités macroscopiques Mg2Si dont la taille et la morphologie facilite la dissolution lors du traitement thermique. On renvoie aux figures des dessins annexés représentant la micrographie d'une pièce, afin de montrer l'importance du taux de manganèse et de cuivre. La figure 1 montre une microstructure de fonderie, sans manganese, précipités « en aiguilles », type B, tandis que la figure 2 montre la monostructure avec manganèse, précipités « en écriture chinoise », type a.However, defects of solidification persist, defects of intergranular solidification of localized shrinkage at the grain boundaries with a branched and diffuse morphology which weakens the casting. The forging operation Cobapress allows to close and rewrite these defects with a control in design of the rate of deformation. The temperature / deformation couple allows a rectification of the defects. The table below shows the mechanical properties on casting and parts, according to the Cobapress process, after T6 heat treatment of the low silicon alloy. We can note the improvement of rupture limit Rm and elongation at rupture: STATES Rp0,2 [Mpa Rm [Mpa A% [%] Foundry AlMgSiCu + 16,300 315 1,3 CobapressTm AlMgSiCu + 16,300 340 8 Rp = Elastic limit Rm = Mechanical resistance A% = Elongation Finally, this composition makes it possible to reduce the complexity of the usual heat treatment for Al-Mg-Si-Cu type alloys. Silicon content, solidification rates and grain refinement lead to macroscopic precipitates Mg2Si whose size and morphology facilitates dissolution during heat treatment. Referring to the figures of the accompanying drawings showing the micrograph of a room, to show the importance of the manganese and copper. Figure 1 shows a foundry microstructure, without manganese, precipitated "in needles", type B, while Figure 2 shows the monostructure with manganese, precipitated "in Chinese writing", type a.

Les figures 3, 4 et 5 montrent l'élimination des précipités de cuivre Al2Cu. Aux figures 3 et 4, le taux de cuivre est supérieur à 0,40%, ce qui entraine la présence de précipités Al2Cu., La figure 4 montre un exemple où l'on peut observer les précipitations AlFeMnSi et Mg2Si entourés de précipités Al2Cu. La figure 5 montre une teneur en cuivre comprise entre 0,20% et 0,40%, selon l'invention, montrant une absence de précipités Al2Cu.,10Figures 3, 4 and 5 show the removal of Al2Cu copper precipitates. In FIGS. 3 and 4, the copper content is greater than 0.40%, which results in the presence of Al 2 Cu precipitates. FIG. 4 shows an example in which the AlFeMnSi and Mg2Si precipitations surrounded by Al2Cu precipitates can be observed. FIG. 5 shows a copper content of between 0.20% and 0.40%, according to the invention, showing a lack of Al2Cu.

Claims

REVENDICATIONS1. A low silicon aluminum alloy part comprising silicon, magnesium, copper, manganese, titanium and strontium said part being obtained by a process according to which: casting said alloy to obtain the part, after during casting, the part constituting a still hot preform is demolded, said preform is cooled and then subjected to an operation capable of heating it to a temperature of between 470 ° C. and 550 ° C., said part being positioned between two shells of a matrix finishing a footprint of substantially equal dimensions, but smaller than that of the mold, the two shells are strongly pressed against each other in order to exert on the part arranged between said shells a combined effect of pressing and surface treatment. . Part according to claim 1, characterized in that the silicon content is between 0.5 and 3%. -3- Part according to claim 1, characterized in that the magnesium level is between 0.65 and 1%. Piece according to claim 1, characterized in that the copper content is between 0.20 and 0.40%. -5- Part according to claim 1, characterized in that the manganese content is between 0.15 and 0.25% .- 6- Part according to claim 1, characterized in that the titanium content is between 0 , 10% and 0.20%. -7- Part according to claim 1, characterized in that the strontium level is between 0 and 120 ppm. -8- Use of a part, according to any one of claims 1 to 7, in the field of the automobile. Use of the alloy according to any one of claims 1 to 7 in the field of aeronautics.