WO1993013230A1 - Alliages a base de zinc a ductilite amelioree - Google Patents

Alliages a base de zinc a ductilite amelioree Download PDF

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André Skenazi
Dimitri Coutsouradis
André Rasquin
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Skenazi Andre
Dimitri Coutsouradis
Rasquin Andre
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C18/00—Alloys based on zinc
    • C22C18/04—Alloys based on zinc with aluminium as the next major constituent

Definitions

  • Zinc based alloys with improved ductility Zinc based alloys with improved ductility.
  • the present invention relates to zinc-based alloys having improved ductility.
  • a zinc alloy intended for gravity casting is known in particular having a breaking load of the order of 400 MPa. This value was reached by ensuring the alloy an aluminum content of about 27%, with additions of copper and magnesium. The ductility of this alloy is however poor, because its elongation is, under the best casting conditions, between 4 and 8 The same is true of other known alloys, containing about 35% of aluminum and especially copper additions.
  • the present invention relates to a zinc-based alloy, intended for gravity casting and having improved ductility properties.
  • the elongation is clearly improved, while the breaking load remains at least equal to that of the alloys containing 27% or 35% of aluminum.
  • composition of the alloy according to the invention results from the unexpected observation made by the applicant, according to which it is possible to improve:
  • a zinc alloy, object of the present invention containing 25% to 40% of aluminum, 0.5% to 5% of copper and up to 0.1% of magnesium, has a content of boron between 5 ppm and 0.1%, and preferably between 0.005% and 0.050%.
  • a first particular modality consists in adding titanium to the alloy in a content of between 25 ppm and 0.5%, and preferably between 0.005% and 0.050%.
  • an alloy in accordance with the invention contains, in addition to boron, zirconium e / or strontium in a content of less than 0.1%
  • a zinc alloy conforming to this second modality containing 25% to 40% of aluminum, 0.5% to 5% of copper and up to 1% of magnesium, has a boron content of between 5 pp and 0 ,% and a zirconium and / or strontium content preferably between 0.005% and 0.050%.
  • a zinc alloy object of the present invention containing 25% to 40% of aluminum, 0.5% to 5% of copper and up to 0.1% of magnesium, has a te ⁇ total neuron in rare earths, preferably lanthanum and cerium, between 5 ppm and 0.1%, and preferably between 0.005% and 0.050%.
  • rare earths preferably lanthanum and cerium
  • the influence of rare earths on the elongation of an alloy conforming to this second variant only becomes perceptible from a content of approximately 5 ppm, while the benefit of these elements ceases to increase when the rare earth content exceeds about 0.1%.
  • rare earths can also be in the form of the mixture called mischmetall which contains either about 60% - 90% La, 6% - 10% Ce, the balance being made up of other rare earths and other residual elements (Fe, g, Al, Si), i.e. 45% - 60% Ce, the balance being made up of other rare earths or other residual elements (Fe, Mg, Al , Yes) .
  • mischmetall which contains either about 60% - 90% La, 6% - 10% Ce, the balance being made up of other rare earths and other residual elements (Fe, g, Al, Si), i.e. 45% - 60% Ce, the balance being made up of other rare earths or other residual elements (Fe, Mg, Al , Yes) .
  • Table 1 illustrates "effect additions, in accordance with the invention which have just been dé ⁇ Crites, on the breaking load and the elongation of a base alloy zinc containing 27% aluminum, 1% copper and 0.02% magnesium.
  • Alloy A is the alloy known previously; it has a low ductility, expressed by an elongation of between 4% and 8%.
  • Alloys B, and B fatiguein accordance with the first variant of the invention show that an addition of boron within the limits indicated makes it possible to very significantly increase the value of the elongation, and consequently to improve the ductility without altering the breaking load of the alloy.
  • alloys C. and C also exhibit increased elongation; in addition, the breaking load is slightly increased in the case of alloy C ,, whose boron and titanium contents respect the preferential ratio of 1: 5.
  • alloy C_ has a load of significantly improved, but the elongation remained at the same level as that of the reference alloy, despite the presence of boron. This behavior seems to be explained by the formation of intermetallic compounds of boron and titanium, which counteract the beneficial effect of boron on elongation, when the titanium contents are high.
  • Alloy D which corresponds to the second particular modality of the first variant, has a significantly higher breaking load than the base alloy, associated with elongations which are also improved.
  • the alloys E. and Eisrael in accordance with the second variant of the invention, show that an addition of lanthanum or cerium within the limits indicated, makes it possible to raise very significantly only the value of the elongation, and consequently of improving the ductility, without altering the breaking load of the alloy.

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Abstract

Alliages à base de zinc, contenant de 25 % à 40 % d'aluminium, de 0,5 % à 5 % de cuivre et jusqu'à 0,1 % de magnésium, présentant une ductilité et/ou une charge de rupture améliorée par l'addition de divers éléments. Une première série d'alliages améliorés contient entre 5 ppm et 0,1 % de bore, éventuellement accompagné de titane (de 25 ppm à 0,5 %), de zirconium et/ou strontium (maximum 0,1) ou de zirconium et/ou strontium (maximum 0,1 %) et titane (maximum 0,1 %). Une seconde série d'alliages améliorés contient des terres rares, principalement du lanthane et/ou du cérium, en une teneur individuelle comprise entre 5 ppm et 0,1 %.

Description

Alliages à base de zinc à ductilité améliorée.
La présente invention concerne des alliages à base de zinc pré¬ sentant une ductilité améliorée.
Le domaine d'utilisation des alliages à base de zinc est ac- tuellement étendu à de nombreuses applications intéressant de multiples aspects de l'industrie C'est le cas, en particu¬ lier, des alliages de zinc destinés à la coulée par gravité.
On a déjà cherché à améliorer les propriétés de tels alliages de zinc, en leur incorporant un ou plusieurs éléments, en quan¬ tités variables, parfois même en très faible quantité, afin d' obtenir des alliages aptes à un éventail d'applications aussi large que possible.
On connaît notamment un alliage de zinc destiné à la coulée par gravité présentant une charge de rupture de l'ordre de 400 MPa. Cette valeur a été atteinte en assurant à l'alliage une teneur en aluminium d'environ 27 %, avec des additions de cuivre et de magnésium. La ductilité de cet alliage est cepen¬ dant médiocre, car son allongement est, dans les meilleures conditions de coulée, compris entre 4 et 8 II en est de mime d'autres alliages connus, contenant environ 35 % d'alu¬ inium et des additions notamment de cuivre.
La présente invention a pour objet un alliage à base de zinc, destiné à la couléepar gravité et présentant des propriétés de ductilité améliorée. En particulier, l'allongement est net¬ tement amélioré, tandis que la charge de rupture reste au moins égale à celle des alliages contenant 27 % ou 35 % d'aluminium.
La composition de l'alliage conforme à l'invention résulte de la constatation inattendue faite par le demandeur, selon la¬ quelle il est possible d'améliorer :
- soit la ductilité de l'alliage, au moyen de faibles addi¬ tions de bore et/ou de terres rares; - soit la charge de rupture de l'alliage, au moyen de faibles additions de titane, de zirconium et/ou de strontium;
- soit ces deux propriétés simultanément en combinant judi¬ cieusement les additions précitées.
Selon une première variante, un alliage de zinc, objet de la présente invention, contenant 25 % à 40 % d'aluminium, O, 5 % à 5 % de cuivre et jusqu'à O, 1 % de magnésium, présente une teneur en bore comprise entre 5 ppm et 0, 1 %, et de préférence entre 0,005 % et 0,050 %.
L' influence du bore sur l ' allongement d 'un alliage conforme a cette première variante ne devient perceptible qu ' à partir d ' une teneur d ' environ 5 ppm, tandis que le bénéfice de cet élé¬ ment cesse d ' augmenter lorsque la teneur en bore dépasse en- env iron 0, 1 %.
Dans le cadre de cette première variante, une première moda¬ lité particulière consiste à ajouter à l'alliage du titane en une teneur comprise entre 25 ppm et 0,5 %, et de préférence entre 0,005 % et 0,050 %.
Il a en effet été constaté que l'addition de titane devait s' élever à au moins 25 ppm pour exercer une influence percepti- ble sur la charge de rupture.
Par ailleurs, une teneur en titane supérieure à O, 5 % n'apporte pratiquement aucun accroissement supplémentaire de la charge de rupture.
Toujours selon cette première modalité, il est également inté¬ ressant de combiner les additions de bore et de titane, de fa¬ çon à améliorer simultanément l'allongement et la charge de rupture de cet alliage de zinc.
A cet égard, il s'est avéré avantageux de proportionner les additions de bore et de titane, de telle façon que le rapport des teneurs en bore et en titane soit sensiblement égal à 1 : 5.
Selon une seconde modalité particulière de cette première va¬ riante, un alliage conforme à l'invention contient, en plus du bore, du zirconium e /ou du strontium en une teneur inférieure à O,l %
Le demandeur a constaté qu'un alliage Zn-Al-B-Zr, Zn-Al-B-Sr ou Zn-Al-B-Zr-Sr comportant des additions précitées de cuivre et de magnésium et répondant aux conditions ci-dessus présen¬ tait à la fois une charge de rupture nettement accrue et des allongements plus élevés par rapport à un alliage ne contenant pas de zirconium ou de strontium.
Un alliage de zinc conforme à cette seconde modalité conte- nant 25 % à 40 % d ' aluminium, 0, 5 % à 5 % de cuivre et jusqu ' à 1 % de magnésium, présente une teneur en bore comprise entre 5 pp et 0, % et une teneur en zirconium et/ou en strontium comprise de préférence entre 0, 005 % et 0, 050 %.
0 De façon inattendue, l ' influence du zirconium et /ou du stron¬ tium sur la charge de rupture des alliages ne devient vrai¬ ment perceptible qu ' à partir d 'une teneur d ' environ 5 ppm, tandis que le bénéfice de ces éléments n ' apparaît plus guère lorsque leur teneur dépasse environ 0, 1 %. 5
A cet égard, il s'est avéré particulièrement avantageux de proportionner les additions de bore et de zirconium et/ou strontium de telle façon que le rapport de la teneur en bore à la teneur en zirconium et/ou strontium soit sensiblement θ égal à 1 : 5.
Toujours selon cette seconde modalité, il s'est également avéré intéressant de combiner les additions de zirconium et/ou strontium avec une addition de titane ne dépassant pas 0, 1 %, de façon à bénéficier également de l'amélioration de la charge de rupture d'un alliage de zinc conforme à l'invention que permettent ces divers éléments.
Selon une seconde variante, un alliage de zinc objet de la pré- sente invention, contenant 25 % à 40 % d'aluminium, 0,5 % à 5 % de cuivre et jusqu'à 0, 1 % de magnésium, présente une te¬ neur totale en terres rares, de préférence lanthane et cérium, comprise entre 5 ppm et 0,1 %, et de préférence entre 0,005 % et 0,050 %. L'influence des terres rares sur l'allongement d'un alliage conforme à cette deuxième variante ne devient perceptible qu'à partir d'une teneur d'environ 5 ppm, tandis que le béné¬ fice de ces éléments cesse d'augmenter lorsque la teneur en terres rares dépasse environ O, 1 %.
Toujours dans le cadre de cette seconde variante, les addi¬ tions de terres rares peuvent également se faire sous forme du mélange appelé mischmetall qui contient soit environ 60 % - 90 % La, 6 % - 10 % Ce, le solde étant constitué d'autres ter¬ res rares et d'autres éléments résiduels (Fe, g, Al, Si), soit 45 % - 60 % Ce, le solde étant constitué d'autres terres rares ou d'autres éléments résiduels (Fe, Mg, Al, Si) .
A titre d'exemple, le tableau ci-dessous illustre 1"effet des additions, conformes à l'invention, qui viennent d'être dé¬ crites, sur la charge de rupture et sur l'allongement d'un alliage à base de zinc contenant 27 % d'aluminium, 1 % de cuivre et 0,02 % de magnésium.
Figure imgf000008_0001
L'alliage A est l'alliage connu antérieurement; il présente une ductilité peu élevée, exprimée par un allongement compris entre 4 % et 8 %.
Les alliages B, et B„ conformes à la première variante de l' invention, montrent qu'une addition de bore dans les limites indiquées permet de relever très sensiblement la valeur de l'allongement, et par conséquent d'améliorer la ductilité sans altérer la charge de rupture de l'alliage.
Les alliages C. et C„ répondant à la première modalité parti¬ culière de cette première variante, présentent également un allongement accru; en outre, la charge de rupture est légère¬ ment augmentée dans le cas de l'alliage C,, dont les teneurs en bore et en titane respectent le rapport préférentiel de 1 : 5. En revanche, l'alliage C_ présente une charge de rup¬ ture nettement améliorée, mais l'allongement est resté au ni¬ veau de celui de l'alliage de référence, malgré la présence de bore. Ce comportement semble pouvoir être expliqué par la formation de composés intermétalliques de bore et de titane, qui contrarient l'effet bénéfique du bore sur l'allongement, lorsque les teneurs en titane sont élevées.
L'alliage D, , qui correspond à la seconde modalité particu- lière de la première variante, présente une charge de rupture nettement plus élevée que l'alliage de base, associée à des allongements qui sont également améliorés.
Les alliages E. et E„, conformes à la seconde variante de l'invention, montrent qu'une addition de lanthane ou de cé- rium dans les limites indiquées, permet de relever très sen- siblement la valeur de l'allong≤nent, et par conséquent d'a¬ méliorer la ductilité, sans altérer la charge de rupture de 1'alliage.

Claims

Revendications .
1. Alliage à base de zinc contenant de 25 % à 40 % d'alumi¬ nium, de 0,5 % à 5 % de cuivre et jusqu'à O, 1 % de magnésium, caractérisé en ce qu'il présente en outre une teneur en bore comprise entre 5 ppm et 0,1 %, de préférence entre 0,005 % et 0,050 %.
2 . Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' il présente en outre une teneur en titane comprise entre
25 ppm et 0,5 %, de préférence entre 0,005 % et 0,050 %.
3. Alliage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre les teneurs en bore et en titane est voisin de 1 : 5.
4. Alliage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' il contient en outre du zirconium et/ou du strontium, en une teneur inférieure à 0, 1 %.
5. Alliage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la teneur en zirconium et/ou strontium est comprise de préfé¬ rence entre 0,005 % et 0,050 %.
6. Alliage suivant l'une ou l'autre des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le rapport entre la teneur en bore et la teneur en zirconium et/ou strontium est voisin de 1 : 5.
7. Alliage suivant l'une ou l'autre des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il contient en outre du titane en une proportion ne dépassant pas O, 1 %.
8. Alliage à base de zinc contenant de 25 % à 40 % d'alumi¬ nium, de 0,5 % à 5 % de cuivre et jusqu'à 0, 1 % de magnésium, caractérisé en ce qu'il contient en outre des terres rares, principalement du lanthane et/ou du cérium, en une teneur in- dividuelle comprise entre 5 ppm et 0, 1 %, de préférence entre 0,005 % et 0,050 %.
9. Alliage suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la teneur en lanthane + cérium sous la forme de ischmetall est comprise entre 5 ppm et 0,1 %, de préférence entre 0,005 % et 0,050 %.
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