FR3140635A1 - Alliage d’aluminium et procédé de fabrication associé - Google Patents

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Abstract

Alliage d’aluminium comprenant, en % en poids : Si : compris entre 6,5 et 8 ; Cu : compris entre 0,15 et 0,35 ; Mg : compris entre 0,2 et 0,45 ; Fe : moins de 0,4 ; Mn : moins de 0,2 ; Cr : moins de 0,15 ; Ni : moins de 0,3 ; Zn : moins de 0,4 ; Pb : moins de 0,1 ; Sn : moins de 0,1 ; Ti : compris entre 0,1 et 0,2 ; l’aluminium et des impuretés inévitables.

Description

Alliage d’aluminium et procédé de fabrication associé
La présente invention concerne, de manière générale, un alliage d’aluminium, notamment un alliage d’aluminium de seconde fusion.
De plus, l’invention se rapporte à un procédé de fabrication d’un alliage d’aluminium, notamment d’un alliage d’aluminium de seconde fusion.
Dans un véhicule automobile, les culasses de moteur thermique sont classiquement réalisées à partir d'un alliage d'aluminium dit « de première fusion », c’est-à-dire issu directement d’un minerai, la Bauxite. Les culasses sont ainsi fabriquées par coulage de cet alliage.
Classiquement, l’alliage d’aluminium de première fusion comprend, en % en poids :
Si : compris entre 6,5 et 7,5 ;
Cu : compris entre 0,4 et 0,6 ;
Mg : compris entre 0,25 à 0,45 ;
Fe : moins de 0,2 ;
Mn : moins de 0,1 ;
Cr : moins de 0,15 ;
Ni : moins de 0,3 ;
Zn : moins de 0,1 ;
Pb : moins de 0,05 ;
Sn : moins de 0,05 ;
Ti : compris entre 0,1 et 0,2 ;
le reste étant l’aluminium et des impuretés inévitables.
L’alliage d’aluminium de première fusion présente une haute conductivité thermique, c’est-à-dire une capacité élevée du matériau à laisser passer la chaleur, ainsi qu’un bon niveau d'allongement à la rupture A, en %.
Ces performances sont obtenues grâce à la présence limitée d’éléments résiduels métalliques, tels que le fer, le cuivre, le magnésium et le zinc, qui dégradent les propriétés de conduction thermique de l’alliage d’aluminium, ainsi que grâce à l'application d'un traitement thermique.
Le traitement thermique appliqué sur l’alliage de première fusion comprend généralement une mise en solution à une température d’environ 535 ± 5°C pour une durée d’environ 145 ± 30 min, suivi d’une trempe à l’air et d’un vieillissement à une température d’environ 190 ± 5°C pour une durée d’environ 105 ± 5 min.
Il en résulte un alliage de première fusion présentant une conductivité thermique λ de l’ordre de 160 W/m.K et un allongement à la rupture A supérieur ou égal à 4%.
Un tel alliage d’aluminium de première fusion présente également une contrainte à la rupture Rm supérieure ou égale à 210 MPa, une contrainte provoquant une déformation permanente de 0,2% Rp0.2 supérieure ou égal à 190 MPa et une dureté HB supérieure ou égale à 90.
Toutefois, l’alliage d’aluminium de première fusion émet beaucoup plus de CO2pour sa fabrication qu'un alliage d'aluminium dit de « seconde fusion » en raison de la consommation énergétique nécessaire à son élaboration.
Par alliage de seconde fusion, on entend un alliage d’aluminium recyclé, obtenu par une nouvelle fusion de pièces et/ou de scraps en alliage aluminium.
Par scraps, on entend des débris, rebuts ou encore déchets d’alliage d’aluminium issus de tous les secteurs industriels.
Cependant, l’utilisation de ces alliages d’aluminium recyclé, de seconde fusion, ne peut être envisagée. En effet, leur teneur en éléments résiduels est plus élevée que dans un alliage d’aluminium de première fusion. Il en résulte un impact négatif sur les propriétés de conductivité thermique et mécaniques.
Certaines utilisations, telle que la fabrication de culasses pour moteur thermique, nécessite des performances de conductivité thermique élevée. Jusqu’à ce jour, il était alors obligatoire d’utiliser un alliage d’aluminium de première fusion afin de garantir une conductivité thermique adaptée.
L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un alliage d’aluminium avec des performances de conductivité thermique et des caractéristiques mécaniques équivalentes à un alliage d’aluminium de première fusion et pouvant être issu de la récupération d’alliage d’aluminium de seconde fusion.
Il est donc proposé un alliage d’aluminium comprenant, en % en poids :
Si : compris entre 6,5 et 8 ;
Cu : compris entre 0,15 et 0,35 ;
Mg : compris entre 0,2 et 0,45 ;
Fe : moins de 0,4 ;
Mn : moins de 0,2 ;
Cr : moins de 0,15 ;
Ni : moins de 0,3 ;
Zn : moins de 0,4 ;
Pb : moins de 0,1 ;
Sn : moins de 0,1 ;
Ti : compris entre 0,1 et 0,2 ;
l’aluminium et des impuretés inévitables.
Dans cet alliage, les pourcentages sont définis par rapport au poids total de l’alliage.
Il a été constaté de manière surprenante qu’une teneur en cuivre comprise entre 0,15 et 0,35 % en poids permet d’assurer une tenue mécanique suffisante du matériau en alliage d’aluminium jusqu’à 275°C, tout en assurant un faible impact négatif du cuivre sur la conductivité thermique du matériau.
La tenue en température apportée par la teneur du cuivre comprise entre 0,15 et 0,35 % en poids est particulièrement avantageuse pour des applications de l’alliage d’aluminium dans un moteur thermique de véhicule automobile.
Un autre objet de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un alliage d’aluminium comprenant les étapes suivantes :
  1. fournir un alliage d’aluminium tel que décrit précédemment ;
  2. réaliser un traitement thermique sur l’alliage fourni à l’étape a) comportant les étapes suivantes :
  1. mettre en solution l’alliage d’aluminium à une température de 535 ± 5°C entre pendant une durée comprise entre 145 et 175 min ;
  2. réaliser une trempe à l’air ; et
  3. réaliser un vieillissement à une température comprise entre 200 et 220°C, de préférence comprise entre 200 et 215°C, pendant une durée comprise entre 90 et 275 min, de préférence comprise entre 195 et 275 min, de préférence encore comprise entre 180 et 260 min.
D’autres caractéristiques, aspects, objets et avantages ressortiront de la description qui va suivre et des exemples suivants, donnés à titre purement illustratif.
Dans ce qui va suivre, l’expression « au moins un » utilisée est équivalente à l’expression « un ou plusieurs ».
De plus, les bornes d’un domaine de valeurs sont comprises dans ce domaine, notamment dans l’expression « compris entre ».
En outre, au sens de l’invention, l’expression « moins de » est équivalente à l’expression « strictement inférieur à ».
Dans l’exemple développé, l’alliage d’aluminium est un alliage d’aluminium de seconde fusion destiné à la fabrication d’une culasse de moteur thermique pour véhicule automobile.
L’alliage d’aluminium selon l’invention comprend, en % en poids :
Si : compris entre 6,5 et 8 ;
Cu : compris entre 0,15 et 0,35 ;
Mg : compris entre 0,2 et 0,45 ;
Fe : moins de 0,4 ;
Mn : moins de 0,2 ;
Cr : moins de 0,15 ;
Ni : moins de 0,3 ;
Zn : moins de 0,4 ;
Pb : moins de 0,1 ;
Sn : moins de 0,1 ;
Ti : compris entre 0,1 et 0,2 ;
l’aluminium et des impuretés inévitables.
De préférence, la totalité des impuretés inévitables représente moins de 0,15 % en poids.
De préférence, chaque impureté inévitable est présente à moins de 0,05 % en poids.
L’alliage d’aluminium comprend donc de l’aluminium en quantité majoritaire, ainsi que des éléments résiduels et des impuretés inévitables.
Dans un mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut être constitué de, en % en poids :
Si : compris entre 6,5 et 8 ;
Cu : compris entre 0,15 et 0,35 ;
Mg : compris entre 0,2 et 0,45 ;
Fe : moins de 0,4 ;
Mn : moins de 0,2 ;
Cr : moins de 0,15 ;
Ni : moins de 0,3 ;
Zn : moins de 0,4 ;
Pb : moins de 0,1 ;
Sn : moins de 0,1 ;
Ti : compris entre 0,1 et 0,2 ;
le reste étant l’aluminium et des impuretés inévitables.
Au sens de l’invention, le silicium, le fer, le cuivre, le manganèse, le magnésium, le chrome, le nickel, le zinc, le plomb, l’étain et le titane sont des éléments résiduels.
La teneur en cuivre comprise entre 0,15 et 0,35 % en poids assure une tenue mécanique en température suffisante du matériau en alliage d’aluminium, tout en assurant, cependant, un faible impact négatif du cuivre sur sa conductivité thermique.
Les teneurs en fer et en manganèse en % en poids, sont, respectivement, strictement inférieure à 0,4 et strictement inférieure à 0,2. De telles plages de valeurs du fer et du manganèse garantissent un impact limité sur la conductivité thermique et les propriétés d’allongement à la rupture de l’alliage d’aluminium.
En particulier, une teneur du fer de moins de 0,4 % en poids conduit à la formation d’une quantité faible de composés intermétalliques de sorte que les capacités d’allongement à la rupture de l’alliage d’aluminium ne sont pas impactées.
Dans un mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en fer, en % en poids, de : 0,2 ≤ Fe < 0,4.
Dans un autre mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en fer, en % en poids, de : 0,2 < Fe < 0,4.
Dans un autre mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en fer, en % en poids, de : 0,25 ≤ Fe < 0,4.
Dans un autre mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en manganèse, en % en poids de : 0,1 ≤ Mn < 0,2.
De préférence, l’alliage d’aluminium comprend une teneur en silicium comprise entre 7 et 8 % en poids. Le maintien du silicium dans une telle plage de valeurs permet de diminuer son impact négatif sur la conductivité thermique de l’alliage d’aluminium.
Avantageusement, la teneur en magnésium est comprise entre 0,2 et 0,45 % en poids assure un impact limité du magnésium sur les propriétés de conduction thermique de l’alliage d’aluminium.
De préférence, la teneur en magnésium est comprise entre 0,3 et 0,4 % en poids. Le magnésium permet de garantir les caractéristiques mécaniques après le traitement thermique.
La teneur en zinc en % en poids, est strictement inférieure à 0,4. Une telle plage de valeurs du zinc garantit un impact limité sur la conductivité thermique de l’alliage d’aluminium.
Dans un mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en zinc, en % en poids, de : 0,1 ≤ Zn < 0,4.
Dans un mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en zinc, en % en poids, de : 0,1 < Zn < 0,4.
Dans un mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en zinc, en % en poids, de : 0,15 ≤ Zn < 0,4.
Les teneurs en plomb et en étain en % en poids, sont strictement inférieure à 0,1. De telles plages de valeurs pour le plomb et l’étain garantissent un impact limité sur la conductivité thermique.
Dans un mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en plomb, en % en poids, de : 0,05 ≤ Pb < 0,1.
Dans un autre mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en plomb, en % en poids, de : 0,05 < Pb < 0,1.
Dans un autre mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en plomb, en % en poids, de : 0,075 ≤ Pb < 0,1.
Dans un autre mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en étain, en % en poids, de : 0,05 ≤ Sn < 0,1.
Dans un mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en étain, en % en poids, de : 0,05 < Sn < 0,1.
Dans un autre mode de réalisation, l’alliage d’aluminium peut comprendre une teneur en étain, en % en poids, de : 0,075 ≤ Sn < 0,1.
Selon un exemple, l’alliage d’aluminium peut comprendre 7,46 % en poids de silicium, 0,25 % en poids de cuivre, 0,35 % en poids de magnésium, 0,34 % en poids de fer, 0,15 % en poids de manganèse et 0,15 % en poids de titane.
Le procédé de fabrication selon l’invention d’un alliage d’aluminium comprend les étapes suivantes :
  1. fournir un alliage d’aluminium tel que décrit précédemment ;
  2. réaliser un traitement thermique sur l’alliage fourni à l’étape a) comportant les étapes suivantes :
  1. mettre en solution l’alliage d’aluminium à une température de 535 ± 5°C entre pendant une durée comprise entre 145 et 175 min ;
  2. réaliser une trempe à l’air ; et
  3. réaliser un vieillissement à une température comprise entre 200 et 220°C pendant une durée comprise entre 90 et 275 min.
Dans une première étape i), l’alliage d’aluminium est chauffé à une température adaptée à l’alliage d’aluminium afin d’obtenir une solution solide et conduire à une distribution homogène des différents composants solubles, formés par les éléments résiduels et les impuretés inévitables, au sein de l’aluminium.
Une trempe est ensuite réalisée dans une deuxième étape ii). Par trempe, on entend le refroidissement, à l’air, de l’alliage d’aluminium jusqu’à ce que sa température atteigne la température ambiante de façon à figer la solution solide obtenue à l’étape i).
Dans l’exemple développé, la température ambiante est de 23°C.
L’alliage d’aluminium est ensuite chauffé dans une troisième étape iii) de façon à former un précipité réparti de façon homogène et induire le durcissement de l’alliage conduisant à ses propriétés de conductivité thermique et d’allongement à la rupture finales.
Selon un exemple de mise en œuvre, l’alliage d’aluminium fourni à l’étape a) peut être un alliage d’aluminium de seconde fusion.
Le traitement thermique d’un alliage d’aluminium tel que décrit précédemment permet d’atteindre des propriétés mécaniques et de conductivité thermique équivalentes à un alliage d’aluminium de première fusion.
Il est ainsi possible d’atteindre, à partir d’un alliage d’aluminium de seconde fusion un matériau présentant une conductivité thermique de l’ordre de 160 W/m.K.
Il est également possible d’atteindre un allongement à la rupture atteignant les 4%, une contrainte à la rupture Rm supérieure ou égale à 210 MPa, une contrainte provoquant une déformation permanente de 0,2% Rp0.2 supérieure ou égale à 190 MPa et une dureté HB supérieure ou égale à 90.
Ces performances de l’alliage d’aluminium sont particulièrement avantageuses pour la fabrication d’une culasse de moteur thermique pour véhicule automobile.
Avantageusement, le procédé de fabrication selon l’invention peut comprendre, préalablement à l’étape a), une étape d’ajustement de la quantité des éléments chimiques de l’alliage d’aluminium de seconde fusion pour l’obtention d’un alliage d’aluminium comme décrit précédemment. Le producteur de l’alliage de seconde fonte peut ajuster les quantités et types de scraps à sa disposition pour tenir les exigences de composition chimique au niveau de ses fours de fusion et de maintien avant la coulée des lingots en seconde fusion.
De préférence, le vieillissement est réalisé à une température comprise entre 200 et 215°C.
De préférence, l’étape de vieillissement iii) est réalisée à une température comprise entre 195 et 275 min.
De préférence encore, l’étape de vieillissement iii) est réalisée à une température comprise entre 180 et 260 min. grâce à laquelle la capacité de conduction thermique obtenue est optimale.
Un autre objet de l’invention concerne une pièce pour véhicule automobile comprenant au moins un alliage d’aluminium tel que précédemment décrit.
On pourra notamment prévoir qu’une culasse, une pièce de châssis, une jante ou tout autre pièce de véhicule automobile incorpore au moins un alliage d’aluminium tel que décrit précédemment.
Avantageusement, l’alliage d’aluminium fourni à l’étape a) est coulé dans un moule de manière à obtenir une pièce, par exemple une culasse.
Le traitement thermique de l’étape b) est ainsi réalisé directement sur la pièce.
Un autre objet de l’invention concerne un véhicule automobile comprenant au moins un alliage d’aluminium comme décrit précédemment et/ou au moins une culasse comme décrite précédemment.
On pourra également prévoir qu’une pièce du domaine de l’aéronautique, du ferroviaire ou du transport de fret incorpore au moins un alliage d’aluminium tel que décrit précédemment.
L’alliage d’aluminium et le traitement thermique de l’alliage d’aluminium selon l’invention rendent possible la fabrication de pièces nécessitant une conductivité thermique élevée à partir d’alliage d’aluminium de seconde fusion.
Ceci permet notamment d’envisager l’augmentation du taux de matière recyclée dans les véhicules automobiles.
L’utilisation d’alliage d’aluminium de seconde fusion est une solution beaucoup plus économique que l’utilisation d’alliage d’aluminium de première fusion.
De plus, l'élaboration de pièces à partir d’alliage d'aluminium recyclé est particulièrement écologique compte tenu de la réduction drastique des émissions de CO2qu’un tel procédé de fabrication engendre. En effet, le taux de CO2émis lors de la fabrication d’une pièce en alliage d’aluminium de seconde fusion est plus de trois moins élevé que celui émis pour une pièce en alliage d’aluminium de première fusion.

Claims (11)

  1. Alliage d’aluminium comprenant, en % en poids :
    Si : compris entre 6,5 et 8 ;
    Cu : compris entre 0,15 et 0,35 ;
    Mg : compris entre 0,2 à 0,45 ;
    Fe : moins de 0,4 ;
    Mn : moins de 0,2 ;
    Cr : moins de 0,15 ;
    Ni : moins de 0,3 ;
    Zn : moins de 0,4 ;
    Pb : moins de 0,1 ;
    Sn : moins de 0,1 ;
    Ti : compris entre 0,1 et 0,2 ;
    l’aluminium et des impuretés inévitables.
  2. Alliage selon la revendication 1, comprenant Si compris entre 7 et 8 % en poids.
  3. Alliage selon la revendication 1 ou 2, comprenant, en % en poids : 0,1 ≤ Mn <0,2.
  4. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant : Mg compris entre 0,3 et 0,4 % en poids.
  5. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant, en % en poids : 0,2 ≤ Fe < 0,4.
  6. Alliage selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant, en % en poids : 0,1 ≤ Zn < 0,4.
  7. Procédé de fabrication d’un alliage d’aluminium comprenant les étapes suivantes :
    1. fournir un alliage d’aluminium tel que défini à l’une quelconque des revendications précédentes ;
    2. réaliser un traitement thermique sur l’alliage fourni à l’étape a) comportant les étapes suivantes :
    1. mettre en solution l’alliage d’aluminium à une température de 535 ± 5°C entre pendant une durée comprise entre 145 et 175 mn ;
    2. réaliser une trempe à l’air ; et
    3. réaliser un vieillissement à une température comprise entre 200 et 220°C, de préférence comprise entre 200 et 215°C, pendant une durée comprise entre 90 et 275 min, de préférence comprise entre 195 et 275 min, de préférence encore comprise entre 180 et 260 min.
  8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, dans lequel l’alliage d’aluminium fourni à l’étape a) est un alliage de seconde fusion.
  9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, comprenant, préalablement à l’étape a), une étape d’ajustement de la quantité des éléments chimiques de l’alliage d’aluminium de seconde fusion pour l’obtention d’un alliage d’aluminium tel que défini à l’une quelconque des revendications précédentes.
  10. Pièce pour véhicule automobile comprenant au moins un alliage d’aluminium tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 6.
  11. Véhicule automobile comprenant au moins un alliage d’aluminium tel que défini à l’une quelconque des revendications 1 à 6 et/ou au moins une pièce telle que définie à la revendication 10.
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