LU80726A1 - Procede de fabrication de corps solides d'alliages de cuivre-zinc-aluminium - Google Patents

Description

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La présente invention concerne la fabrication de corps solides d'alliages de cuivre-zinc-aluminium, de même que les corps ainsi obtenus sous forme de produits finis et semi-finis· " On sait que, sous la modification cristalline ß, de nombreux alliages binaires et ternaires, de cuivre possèdent des caractéristiques particulières telles qu'une pseudo-élasticité, un effet de reprise élastique et un effet de reprise élastique réversible.

L'expression "pseudo-élasticité" signifie que, lorsqu'il est soumis à une charge mécanique à des températures supérieures à la température dite "Af", un corps solide de l'alliage présente un allongement élastique nettement supérieur à celui d'autres métaux et, en tout cas, supérieur à celui obtenu à des températures inférieures à la température Af. Cet allongement pseudo-élastique disparaît lorsqu’on supprime la charge.

L'expression "effet de reprise élastique" signifie qu'après déformation mécanique à une température inférieure à la température dite "Ms", un corps solide de l'alliage reprend spontanément sa forme initiale moyennant un simple chauffage au-delà de la température Af mentionnée ci-dessus.

On observe un effet de reprise élastique réversible v lorsque l'effet de reprise élastique a été utilisé successivement plusieurs fois (par exemple, 20 fois). Ensuite, lors du refroidis-- sement à une température inférieure à la température Ms, un corps solide de l'alliage subit Une déformation spontanée sans aucune charge mécanique extérieure. On peut supprimer cette déformation par chauffage au-delà de la température Af précitée.

Les phénomènes ci-dessus sont attribuables à des transformations martensitiques, c'est-à-dire une croissance réver-

La température Ms est la température à laquelle'les Ç; premières plaques de martensite se forment au cours du refroidis- | sement de la phase ß, tandis que la température Af est la température à laquelle les dernières plaques de martensite disparaissent au cours du chauffage de l'alliage.

Un aperçu général de ces alliages et d'alliages semblables est donné dans "Journal of Materials Science", 9 (1974).» 1521 à 1555, ainsi que dans le manuel "Shape Memory Effect in Alloys J. Perkins (Ed), Plenum Pi'ess, New York, 1975· Ce manuel fait également mention d'utilisations virtuelles de ces phénomènes, par . exemple, dans la construction d'un moteur ou d'une pompe.

La présente invention concerne, en particulier, des alliages ternaires de cuivre-zinc-aluminium de la phase ß et elle a pour objet la fabrication de corps solides constitués de ces alliages et répondant aux conditions requises en ce qui concerne l'homogénéité et la structure des grains. A cet égard, il est à noter que les alliages ne doivent pas nécessairement être en phase ß à la température ambiante, mais que cette phase peut également apparaître à des températures plus élevées.

Jusqu'à présent, on a utilisé des alliages de cuivre-zinc-aluminium de la modification cristalline ß sous forme de corps solides polycristallins obtenus par coulée. Toutefois, en raison d'une vitesse de solidification trop lente ou tr*op rapide, la composition d'un corps coulé n'est pas suffisamment homogène et, dans la pratique, les grains de ce corps sont assez gros. Dans les alliages ß dont il est question dans la présente spécification, les grains d'un corps coulé ont des diamètres de plusieurs millimètres, ce qui est la cause d'une résistance mécanique assez faible, sans compter qu'il peut se produire des ruptures entre les grains au cours d'un traitement mécanique.

La présente invention a pour objet la fabrication de corps solides d'alliages de cuivre-zinc-aluminium sous la modïfica-

La présente invention fournit un procédé de fabrication' de corps solides d'alliages de cuivre-zinc-aluminium sous la modification cristalline ß, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on part d'une matière pulvérulente'qui, hormis les impuretés inévitables comprend 10 à 4-0% en poids de Zn, 1 à 12$ en poids d'Al, le reste étant du Cu, pour procéder ensuite à une première compression ' à froid de cette matière pulvérulente que l'on extrude alors à chaud sous la forme d'un corps solide.

En procédant de la sorte, on peut réaliser l'objet de l'invention d'une manière excellente. Grâce à la composition • de départ choisie de la poudre, le corps obtenu présente une structure ß ou martensitique après refroidissement à sa température d'utilisation. Les étapes de compression et d'extrusion permettent d'obtenir un corps solide d'une composition homogène et ayant une structure à grains fins. Dans la pratique, on peut obtenir une structure dont les grains ont un diamètre moyen de 20 à 30 J^m· _ Cette structure à grains fins est attribuable à la présence d'une faible proportion d'A^O^ dans la poudre de départ et, en outre, à une étape de refroidissement rapide après extrusion, mais il est à noter que l'invention n'est nullement limitée à cette explication théorique.

Par suite de sa composition très homogène, le corps obtenu possède des propriétés pratiquement égales sur toute sa longueur et toute sa section transversale. En raison de la structure à grains fins, ce corps ne subit aucune rupture au cours d'un traitement mécanique. De plus, le corps obtenu possède une plus grande résistance à la traction et une meilleure résistance à la fatigue qu'un corps obtenu par un procédé de coulée.

Après l'étape de compression à froid, on peut éventuellement adopter une étape de compression à chaud afin de conférer de plus hautes densités à la matière avant l'extrusion, mais cette étaoe n'est nas absolument indisDensable. En revanche, les ' ' - s - ' ;| si l'on veut obtenir, à partir de la poudre'initiale, un corps · solide doté de bonnes propriétés» Si l'on adopte un procédé plus simple, par exemple, une compression de la poudre suivie d'un frittage, on ne peut obtenir un corps solide cohérent.

Le corps solide résultant de l'extrusion est, pour une bonne part, un produit semi-fini se présentant sous forme d'un fil, d'un tube, d'une feuille ou analogues. Par la suite, on peut aisément transformer ces corps en produits finals ayant la forme et les dimensions désirées grâce à un moulage plastique, par exemple, un laminage à chaud ou à froid. Dans la plupart des cas, la granularité n'augmente guère à ce moment.

Lors de la mise en oeuvre du procédé de la présente invention, la matière de départ est une matière pulvérulente qui, hormis les impuretés inévitables, comprend 10 à 40$ en poids de Zn, 1 à 12$ en poids d'Al, le reste étant du Cu. Cette composition est orientée vers un alliage de cuivre-zinc-aluminium_ayant une structure cristalline ß. On peut distinguer plusieurs intervalles plus petits dans les intervalles envisagés ici pour la composition et, par conséquent, hormis les impuretés inévitables, une matière de départ pulvérulente préférée comprend : (a) 24 à 32$ en poids de Zn, 1 à 6$ en poids d'Al, le reste étant du Cu, ou (b) 18 à 24$ en poids de Zn, 4 à 8$ en poids d'Al, le reste étant du Cu, ou encore (c) 10 à 18$ en poids de Zn, 7 à 12$ en poids d'Al, le reste étant du Cu.

L'expression ''impuretés”, utilisée dans la présente spécification, désigne des éléments naturellement présents en quantités infimes dans des alliages de cuivre-zinc-aluminium ou des éléments incorporés occasionnellement dans la matière de départ pulvérulente au cours de sa préparation. Ces éléments peuvent être par exemple, Si, Cr, Mn, Co, Fe et analogues. Leur proportion n'est erénéralement que de 0 à 2$ en poids, de préférence, de 0 à •V* ·’♦ «' ., ' - -.. ' ·'*"·'*·' *“·£ν * ·*/*3

Une faible quantité d’oxygène fixé pour former des '*] oxydes peut être présente dans la matière pulvérulente en plus des î impuretés et des éléments précités· Cet oxygène peut exercer un certain effet sur la structure des grains du corps solide à fabri- . quer et également sur les températures de transition. ; • ' On pense que l’oxygène existe principalement sous forme d’Al^O^ qui exerce un effet inhibiteur sur la croissance des grains, contribuant ainsi à assurer la structure a grains fins du produit. Toutefois, il est entendu que l’invention n’est nullement limitée à cette explication et, en règle générale, la teneur en oxygène de la poudre semble n’être que de 0,02 à 0,2$ en poids· ' En général, on peut préparer la matière de départ pulvérulente de n’importe quelle manière appropriée pour autant que sa composition réponde aux conditions énoncées ci-dessus. Il semble très approprié d’adopter une méthode de préparation dans laquelle . on fait fondre ensemble les éléments cuivre, zinc et aluminium dans un rapport désiré, pour atomiser ensuite l’alliage fondu obtenu au moyen d’un jet d’eau ou d’un autre jet de fluide. Toutefois, on peut également effectuer un simple mélange de la poudre de cuivre, de la poudre de zinc et de la poudre d’aluminium dans un rapport désiré et l’on peut également ajouter une ou plusieurs de ces poudres élémentaires à un alliage pulvérulent ou à un mélange pulvérulent n’ayant pas encore atteint sa composition correcte.

On peut effectuer l’étape de compression de la poudre en introduisant celle-ci dans une coquille pourvue d’un fond, puis en comprimant la poudre au moyen d’une matrice. La pression de cette étape de compression peut avoir n’importe quelle valeur appropriée que peuvent supporter la matière de la coquille et la poudre : dans la pratique, on a adopté,de manière satisfaisante, des pressions comprises entre 430 et 1.000 MKf/m2. Dans la plupart des cas, une compression à froid peut être suffisante,mais cette étape peut éventuellement être suivie d’une compression à chaud, par exemple, - ·' ’ **' 1 / ·.' qu'un découpage ou un passage au tour, ou encore par un procédé chimique tel que le décapage. Si possible, la matière comprimée peut également être expulsée hors de la coquille.

Après la compression, on chauffe tout d'abord la matière obtenue à une température appropriée pour l’extrusion, puis on l’extrude. On peut effectuer le chauffage dans un four dans lequel règne une atmosphère neutre ou réductrice. La température appropriée dépend de la composition de l'alliage, de la capacité du dispositif d’extrusion, ainsi que de la forme du corps extrudé cette température peut se situer, par exemple, entre 700 et 800°C. j

Dans la plupart des cas, la presse utilisée pour l’extrusion comporte une filière creuse débitant le produit sous forme d’un pro- ; duit semi-fini tel qu’un fil, un tube ou une feuille, cependant que cette filière creuse peut éventuellement être également adaptée pour une distribution directe d’un produit final. La vitesse d'extrusion doit être suffisante pour donner un corps solide cohéreni A sa sortie de la presse, le corps extrudé est refroidi à la température ambiante, ce refroidissement pouvant être effectué, par exemple, par refroidissement brusque avec un liquide froid tel que l’eauo

Si le corps extrudé est un produit semi-fini, il peut être transformé ultérieurement en un produit final ayant la forme et les dimensions désirées moyennant une étape de laminage ou une autre étape de déformation mécanique.

Le produit final, de même que le produit semi-fini présentent un effet de reprise élastique, un effet de reprise élastique réversible et des propriétés pseudo-élastiques.

L'invention sera illustrée par les exemples non limitatifs ci-après.

Exemples X et IX

Comme matière de départ, on utilise un alliage pulvérulent de Cu-Zn-Al dont la composition chimique, la structure gx-anu- * V t » ί · _ , * ’ ‘ *·' ·,· I ·« · - '* , - . '* »· ’ ' . Vjï • ^ du type représenté en figure 1. Le fond 1 et la paroi 2 de cette . % coquille sont réalisés en acier faible sous forme d’un corps d’une î seule pièce. La coquille a un diamètre intérieur de 82 mm, un ' diamètre extérieur de 85 mm et une longueur de 110 mm. Dans cette coquille, vient s’adapter une matrice 3 en acier faible comportant un trou d’aération 5 pouvant être fermé par un bouchon 4· Cette matrice 3 est conique d’un côté avec un angle d’attaque de I4O0 afin de favoriser l’extrusion ultérieure du contenu de la coquille. Au cours de 1’introduction de la poudre, la coquille est supportée par un tamis vibrant afin d’obtenir une bonne densité de charge. Après avoir localisé la matrice 3j on introduit la coquille dans une presse, puis on fait descendre la matrice 3 pour effectuer une étape de compression à froid.

«

Après la compression à froid, on passe la coquille 2 au tour pour atteindre un diamètre extérieur de 84 mm et on soude la matrice 3 à la paroi de la coquille afin d^empêcher l’oxydation de la poudre. On chauffe la coquille et son contenu dans un four à 500°C pendant une heure. Ensuite, on replace la coquille dans la presse et l’on soumet son contenu à une compression à chaud.

Après refroidissement, on enlève complètement la coquille au tour. On dépose à nouveau la matière comprimée sous forme d’une billette dans un four et on la chauffe à 800°C pendant une heure. Ensuite, on dépose la billette dans une presse d’extrusion où on l’extrude en une barre d’un diamètre de 10 mm à l’aide d’une filière creuse conique ayant un angle d’attaque de 140°C.

Des détails complémentaires concernant les étapes de compression à froid, de compression à chaud et d’extrusion sont repris au tableau B.

Après extrusion, on soumet immédiatement la barre obtenue à un refroidissement brusque à l’eau.

Au cours d’un examen radiographique et microscopique à la lumière, la matière des barres obtenues dans les exemples I et ί - m ' - 9 - phases a et quelques- colonies de martensite seulement étant présente au bord extérieur de la barre. Au cours d’un examen au microscope électronique, on constate que l’Al^O^ est dispersé dans une gangue de Cu-Zn-Al et l’on pense que c’est là la cause d’une inhibition de la croissance des grains.

La matière des barres ne présente qu'une faible granularité (voir tableau B), tandis que les grains sont légèrement allongés dans le sens de l'extrusion. Au cours de la calcination, la croissance des grains n'augmente pas plus de 10 à 15% suivant la température et la durée de l'étape de calcination.

Les barres peuvent être aisément transformées en un produit final sous forme d'une feuille d'une épaisseur de 0,5 mm moyennant un laminage à chaud (température du four : 850°C). Au cours de cette étape, la granularité augmente à 130 jxm perpendiculairement au sens du laminage et à 175 yim dans le sens du laminage, soit des valeurs nettement inférieures à celles obtenues avec une barre coulée (200 ^un minimum).

Après avoir effectué un traitement d’homogénéisation (avec refroidissement brusque), on soumet la barre à des essais mécaniques. Les valeurs obtenues sont indiquées au tableau B.

Après laminage a chaud, les valeurs sont quelque peu inférieures,

Les barres présentent un effet de reprise élastique avec un allongement réversible de 1,5$ à des températures supérieure à -60°C. Les barres semblent avoir des propriétés pseudo-élastiques au cours des essais de flexion et d'étirage effectués à des températures comprises entre 0 et 50°C. Après application et suppression de la charge en vue d'atteindre un allongement pseudo-élastiqut de 1,5$, la déformation plastique résiduelle est inférieure à 0,05$. Dans un essai de traction, la courbe d'hystérésis pseudo-élastique s'' # .. ,· r « ' . --· ’ ’ VU: i · Au cours d’essais de flexion effectués avec des appli- i *.. ; I i' cations répétées de la charge, la résistance à la fatigue est plu- ; sieurs fois supérieure à celle obtenue dans des barres coulées» ;

V

I Cette résistance a une valeur comprise entre 100.000 et plus de ! 200.000 cycles pour un allongement pseudo-élastique de 0,8 à 1% ! sous une charge maximale de 250 MN/m2 contre une valeur de 100 à ; 20.000 cycles pour des alliages coulés.

Exemple III

Comme matière de départ, on utilise un alliage pulvérulent de Cu-Zn-Al obtenu en faisant fondre les éléments ensemble et en atomisant la matière en fusion au moyen d’eau. Le tableau A ci-après donne la composition chimique, la granularité, la densité et la structure cristalline de cet. alliage.

On comprime cette poudre dans une coquille du type représenté en figure 2, cette coquille étant constituée d’un tube 6 en acier faible, d'un fond séparé 7 en acier trempé et d'une matrice 8 également en acier trempé. Le tube a un diamètre intérieur de 69 mm, un diamètre extérieur de 70,4 mm et une longueur de 210 mm. Ce tube comporte, à. l'intérieur, une couche de stéarate de zinc faisant office de lubrifiant. Ensuite, on place le fond 7 et on charge la poudre' dans la coquille qui est supportée par un tamis vibrant. Après avoir installé la matrice 8, on place la coquille dans une presse d'extrusion et on soumet son contenu à une compression à froid en faisant descendre la matrice.

Après compression, on retire la coquille de la presse, on enlève son fond 7 et on coupe le tube 6 pour libérer la matière comprimée sous forme d’une bill’ette. Cette billette a une densité à l'état brut d’environ 5,09 gfcm2, soit 68$ de la densité théorique On dépose cette billette dans un four et on la chauffe à 800°C sous une atmosphère d’argon pendant 3 heures. Ensuite, on la dépose à nouveau dans la presse d’extrusion et on l’extrude sous forme d'une barre de 12,5 mm de diamètre au moyen d’une filière svant. mi ancrlo rl'af+.amip rln 1 Rfl® . A == a«» Pîliôno ' . -11-

Le tableau B ci-après donne des détails complémentaires concernant les étapes de compression et d’extrusion.

La barre obtenue a une densité de 100¾. Au cours d’un examen radiographique et microscopique à la lumière, la matière obtenue semble être principalement en phase ß, une petite quantité de phase et certaines colonies de martensite seulement étant présentes au bord extérieur de la barre. Au microscope électronique,, on peut distinguer des particules dispersées d'Al^O^· La matière obtenue a une granularité de 20 à 30 jxm, tandis que les grains sont légèrement allongés dans le sens de l'extrusion. Au cours de la calcination, la granularité n'augmente que de 10 à 15% suivant la température et la durée de cette étape de calcination.

Moyennant un laminage à chaud (température du four : 850°C), la barre peut être transformée immédiatement en une feuille d'une épaisseur de 0,5 mm (produit final). De la sorte, la granularité augmente à 130 ^im perpendiculairement au sens du laminage et à 175 ynn dans le sens du laminage. Ces valeurs sont nettement inférieures à celles obtenues avec des barres coulées (200 yrm au minimum).

On soumet la barre à des essais mécaniques sans qu'il soit nécessaire de procéder à un traitement préalable d'homogénéisation (la matière est suffisamment homogène). Le tableau B ci-après reprend les valeurs relatives à la résistance à la traction, à la limite élastique et à l'allongement. Après laminage à chaud, ces valeurs sont quelque peu inférieures.

Au cours d’essais de flexion et d'étirage effectués à une température comprise entre 0 et 50°C, la barre possède des propriétés pseudo-élastiques et un effet de reprise élastique.

Après application et suppression d'une charge pseudo-élastique en vue d'atteindre un allongement de 11'allongement plastique résiduel semble être inférieur à 0,05¾. Au cours d'un essai de traction - 12 - plus grande que celle d’une barre coulée.

Au cours d'essais de flexion effectués avec des applications répétées d'une charge, la résistance à la fatigue est nettement supérieure à celle obtenue avec des barres coulées. Cette résistance se situe, entre 100.000 et plus de 200,000 cycles à un allongement pseudo-élastique de 0,8 à 1% sous une tension maximale de 25Ο MN/m2 contre 100 à 20.000 cycles pour des alliages coulés.

TABLEAU A Foudres utilisées

Exemple I II III

Source "La Floridienne" "La Floridienne" Baudier traitement ultérieur broyée dans un mélangée avec dispositif.d1a- de la poudre de brasion Cu

Composition chimique : ·

Cu 72,22 73,05 76,04

Al ~ζ} 30 6,11 8,22

Zn 20,09 19,49 15,68

Impuretés 1,39 1,35 0,015

Teneur en oxygène (% en poids) 0,146 0,050 0,0662

Granularité :

Intervalle 0,500 jxsa. ' 0,500 yjm 0,140 jxs d^0 ISO jxsa. 178 yim 48 jrn

Densité apparente 2 3,05 g/cm3 3,07 g/cm3 2,07 g/cm.

Densité d'écoulement 1 4,26 g/cm3 3,57 g/cm3 3,11 g/cm.

Structure ß + marten- (3 + märten- β site site

Suivant norme ASTM B 527-70.

2 Débitmètre de Hall suivant norme ASTM.

1 * 3 i - 13 - Γ • *« j 1 TABLEAU B - |

Etapes de traitement

Exemple I XI XIX

Compression à froid Figure 1 Figure 1 Figure 1

Température de la coquille Ambiante Ambiante Ambiante

Pression 1.000 MN/m2 1.000 MN/m2 430 MN/m2

Compression à chaud Figure 1 Figure 1 -

Température de la

coquille 500°C 500°C

Pression 1.000 MN/m2 1.000 MN/m2

Extrusion :

Température 800°C · 800°C 800°C

Angle d'attaque 140° 140° l80°

Rapport d'extrusion 71*5 71jS 32,2 — Produit Barre Barre Barre !

Diamètre 10 mm 10 mm 12,5 nun

Densité 7,68 g/cm3 7,68 g/cm3 7j52 g/cm3 , (100$S) (100$) (100%)

Granularité 20-30 ^un 20-30 ^«1 20-30 jm.

Résistance à la η ο o traction y,6xl0 N/m2 8,0x10° N/m2 8x10° N/m2 8 8 o

Limite élastique 4,7x10 N/m2 3,7x10 N/m2 1,9x10° LT/m2

Allongement a la rupture 4% 1,5%> 6-8$

Structure ß ß + märten- ß site

Claims (12)

1. Procédé de fabrication de corps solides d’alliages de cuivre-zinc-aluminium ayant une structure cristalline ß, caractérisé en ce qu'on part d’une matière pulvérulente qui, hormis les impuretés inévitables, comprend 10 à 40$ en poids de Zn, 1 à 12$ . en poids d'Al, le reste étant du Cu, après quoi on soumet cette matière pulvérulente à une première compression à froid, puis on 1’extrade à chaud pour former un corps solide.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu’on part d’une matière pulvérulente qui, hormis les impuretés inévitables, comprend 24 à 32$ en poids de Zn, 1 à 6$ en poids d'Al, le reste étant du Cu.

3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on part d'une matière pulvérulente qui, hormis les impuretés inévitables, comprend 18 à 24$ en poids de Zn, 4 à 8$ en poids d'Al, le reste étant du Cu. _

4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu’on part d’une matière pulvérulente qui, hormis les impuretés inévitables, comprend 10 à 18$ en poids de Zn, 7 à 12$ en poids d'Al, le reste étant du Cu.

5. Procédé suivant l’une quelconque des revendication 1 à 4j caractérisé en ce qu’on obtient la matière pulvérulente de départ en faisant fondre les éléments Ζη,ΑΙ et Cu ensemble dans un rapport désiré, pour soumettre ensuite l’alliage fondu obtenu à une atomisation au moyen d’un jet de fluide.

6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de compression à froid est suivie d'une étape de compression à chaud avant l’extrusion.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'on effectue’ l'étape de compression à chaud à une températui de 500 à 600°C. - 15 -

8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu’on effectue l’extrusion à une température de 700 à 800°C.

9· Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu’on refroidit le corps extrudé à la température ambiante par refroidissement brusque avec un liquide froid*

10. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsqu’il est un produit semi-fini, le corps extrudé est transformé en un produit final ayant la forme et les dimensior ψ désirées moyennant une étape de laminage ou une autre étape de déformation mécanique*

11* Corps solide constitué d’un alliage de cuivre-zinc-aluminium ayant une structure cristalline ß et obtenu par le procédé suivant l’une quelconque des revendications 1 à 10,

12, Corps solide suivant la revendication 11, cara< térisé en ce qu'il a une structure granulaire d'une granularité comprise entre 20 et 30 jxm» __ %