WO1995019237A1 - Procede de mise en forme de materiaux metalliques a l'etat semi-solide - Google Patents

Procede de mise en forme de materiaux metalliques a l'etat semi-solide Download PDF

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WO1995019237A1
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Michel Garat
Willem Loue
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Aluminium Pechiney
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22D18/00—Pressure casting; Vacuum casting
    • B22D18/08—Controlling, supervising, e.g. for safety reasons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S164/00—Metal founding
    • Y10S164/90—Rheo-casting

Definitions

  • the invention relates to a process for shaping metallic materials in the semi-solid state by die casting or by forging.
  • thixotropic metal products in particular ferrous, cuprous or alumininium alloys
  • the thixotropic metal, reheated in the semi-solid state is handled like a solid during its reheating and its transfer on the shaping machine, but behaves during the shaping like a homogeneous viscous liquid.
  • the processes for manufacturing parts in the semi-solid state have advantages over conventional processes: lower shaping energy and faster cooling, which results in a reduction in shrinkage, higher production rates and less wear on tools or molds.
  • These methods generally comprise the following stages: manufacture of billets or ingots of metal or thixotropic alloy with a primary phase with a partially or totally globular structure, by mechanical or electromagnetic stirring.
  • One of the critical points of the process is the viscosity of the metal reheated in the semi-solid state. If the metal has too high a viscosity, it does not flow, during shaping, like a homogeneous liquid and the parts produced have internal defects. If, on the contrary, the viscosity is too low, one can no longer handle the piece as a solid, part of the metal flows and is lost, and the feeding of the shaping machine is out of adjustment.
  • the viscosity in the semi-solid state depends on several parameters: a) the degree of globularity of the primary phase.
  • the shearing speed is generally imposed by the shaping machine and the geometry of the part, so that the desired viscosity must be obtained by an adequate combination between the degree of globularity and the liquid fraction.
  • this viscosity must be reproducible from one shaping cycle to another, so as to guarantee the reproducibility of the part itself, and therefore its quality.
  • the heating of the piece plays a determining role for this reproducibility insofar as it conditions at the same time the rate of liquid fraction and the degree of globularity of the solid fraction during the maintenance in the semi-solid state, as shown by W.LOUE's thesis "Microstructural evolution and rheological behavior of aluminum-silicon alloys in the semi-solid state" Institut National Polytechnique de Grenoble, October 1992.
  • the problem is then to find a simple way and reliable to permanently ensure a constant viscosity in the heated piece which will be introduced into the injection or forging press by acting on the regulation of the heating.
  • the liquid fraction at a given temperature can vary depending on the differences in the composition of the alloy within the same standardized specification.
  • the silicon in an aluminum alloy of the AlSi7Mg type (corresponding to the designations A356 and A357 of the Aluminum Association of the USA), the silicon can vary from 6.5 to 7.5%, which results in a significant variation in the liquid fraction at 577 C C.
  • the degree of globality of the primary phase of the metal can also vary from one batch to another resulting in a constant liquid fraction, a variation in viscosity at a given temperature.
  • alloys with a large isothermal eutectic plateau such as aluminum-silicon alloys, the temperature measurement does not provide information on the fraction melt eutectic.
  • thermocouples or imprecise infrared measurements presents significant difficulties due to fouling of thermocouples or imprecise infrared measurements.
  • the heating temperature can also be directly regulated by controlling the energy supplied to the oven, which is easily achievable in induction furnaces.
  • the variation in the overall phase rate of the primary phase and the dispersion of the chemical compositions within the standardized specifications do not allow sufficient consistency of the viscosity of the heated piece to be ensured.
  • the energy losses by convection can vary significantly for the same installation depending on local environment conditions such as ambient temperature or air currents.
  • the object of the invention is to avoid the drawbacks of the methods described above and to provide a simple, effective and reliable means of regulating the viscosity of the heated piece by reheating, resulting in a constant and reproducible quality of the parts produced.
  • the subject of the invention is a process for shaping metallic materials in the semi-solid state comprising: the preparation of a piece of thixotropic metallic material, corresponding to the weight of metal used in each cycle for manufacturing parts .es,
  • the viscosity of the piece is regulated to the desired value thanks to a corresponding regulation of the heating power by a quantity linked to the resistance opposed by the material to forging punch or injection piston during the filling phase of the forging die or mold cavity.
  • the quantity controlling the heating regulation may be the back pressure measured on the forging punch or the injection piston or, in the case of die casting, the speed of advance of the injection piston with hydraulic adjustment constant from the press.
  • the thixoforming device includes:
  • an induction heating oven comprising two zones, the powers of which can be regulated separately,
  • a microcomputer which receives the values of piston speed and filling pressure from the pressure casting machine, uses this information in software which controls the heating power in the two zones of the reheating furnace.
  • the principle of the regulation software consists in comparing the measured value of the piston speed with a set value, corresponding to the speed which has been chosen as giving satisfactory results at the stage of development of the part.
  • the heating powers are incremented or decremented in successive steps, for example by 3%, until the setpoint is exceeded, then by smaller steps, for example 1%, to converge towards this, setpoint.
  • EXAMPLE We have perfected the manufacturing of an automobile engine part with a batch of thixotropic aluminum alloy billets of the AlSi7Mg type on a die casting machine.
  • the regulation of the heating system was then implemented using as a regulation parameter the speed of the piston, the filling pressure being only recorded.
  • the program converged on the following setting of the heating powers:

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Abstract

L'invention concerne un procédé de mise en forme de matériaux métalliques à l'état semi-solide comportant: la préparation d'un lopin de métal thixotrope correspondant au poids de métal à mettre en ÷uvre, le réchauffage du lopin à l'état semi-solide jusqu'au taux de fraction liquide correspondant à la viscosité souhaitée pour la mise en forme, le transfert du lopin à une presse à forger ou à couler sous pression, la mise en forme du lopin par forgeage ou coulée sous pression. Il se caractérise en ce que la viscosité du lopin est régulée à la valeur souhaitée grâce à une régulation correspondante de la puissance de réchauffage par une grandeur liée à la résistance opposée par le matériau au poinçon de forgeage ou au piston d'injection pendant la phase de remplissage de la matrice de forge ou de l'empreinte du moule. Le procédé s'applique notamment à la mise en forme des alliages d'aluminium thixotropes.

Description

PROCEDE DE MISE EN FORME DE MATERIAUX METALLIQUES A L'ETAT SEMI-SOLIDE
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de mise en forme de matériaux métalliques à l'état semi-solide par coulée sous pression ou par forgeage. ART ANTERIEUR
La mise en forme à l'état semi-solide de produits métalliques thixotropes , en particulier des alliages ferreux, cuivreux ou d'alumininium, est connue depuis une vingtaine d'années. Le brevet FR 2141979 (= US 3948650 MIT) a décrit le premier un procédé de coulée de métal thixotrope consistant à élever la température de l'alliage jusqu'à l'état liquide, à refroidir pour provoquer une solidification partielle et à agiter énergiquement le mélange liquide-solide pour briser les dendrites et les transformer, pour au moins les 2/3 de la composition initiale, en globules sensiblement sphériques.
Le métal thixotrope, réchauffé à l'état semi-solide, se manipule comme un solide pendant son réchauffage et son transfert sur la machine de mise en forme, mais se comporte au cours de la mise en forme comme un liquide homogène visqueux. Les procédés de fabrication de pièces à l'état semi-solide présentent des avantages sur les procédés classiques: énergie de mise en forme plus faible et refroidissement plus rapide, ce qui entraîne une diminution de la retassure, des cadences de production plus, élevées et une usure moindre des outils ou des moules.
Ces procédés comportent généralement les étapes suivantes: fabrication de billettes ou lingotins de métal ou alliage thixotrope avec une phase primaire à structure partiellement ou totalement globulaire, par brassage mécanique ou électromagnétique.
-découpage de lopins correspondant au poids de métal mis en oeuvre à chaque cycle de fabrication de pièces. réchauffage du lopin jusqu'à atteindre la fraction liquide correspondant à la viscosité souhaitée. Ce réchauffage peut se faire par rayonnement ou par induction
- transfert du métal réchauffé à l'équipement de mise en forme (presse à forger ou machine de coulée sous pression).
- mise en forme de la pièce à fabriquer.
La viscosité du métal réchauffé à l'état semi-solide est l'un des points critiques du procédé. Si le métal a une viscosité trop élevée, il ne s'écoule pas, à la mise en forme, comme un liquide homogène et les pièces réalisées présentent des défauts internes. Si, au contraire, la viscosité est trop faible, on ne peut plus manipuler le lopin comme un solide, une partie du métal s'écoule et se perd, et l'alimentation de la machine de mise en forme se dérègle. La viscosité à l'état semi-solide dépend de plusieurs paramètres: a) le degré de globularité de la phase primaire.
Plus cette structure s'approche de la structure globulaire idéale où la totalité des dendrites a dégénéré en globules parfaitement sphériques, plus la viscosité diminue. b) la fraction liquide atteinte au réchauffage. Plus celle-ci est élevée, plus la viscosité baisse. c) la vitesse de cisaillement du procédé de mise en forme. Plus cette vitesse est élevée, plus la viscosité diminue.
La vitesse de cisaillement est généralement imposée par la machine de mise en forme et la géométrie de la pièce, de sorte que la viscosité souhaitée doit être obtenue par une combinaison adéquate entre le degré de globularité et la fraction liquide.
D'autre part, cette viscosité doit être reproductible d'un cycle de mise en forme à l'autre, de manière à garantir la reproductibilité de la pièce elle-même, et donc sa qualité. Le réchauffage du lopin joue un rôle déterminant pour cette reproductibilité dans la mesure où il conditionne à la fois le taux de fraction liquide et le degré de globularité de la fraction solide pendant le maintien à l'état semi-solide, comme l'a montré la thèse de W.LOUE "Evolution microstructurale et comportement rhéologique d'alliages aluminium-silicium à l'état semi-solide" Institut National Polytechnique de Grenoble, octobre 1992. Le problème posé consiste alors à trouver un moyen simple et fiable d'assurer en permanence une viscosité constante au lopin réchauffé qui va être introduit dans la presse à injecter ou à forger en jouant sur la régulation du réchauffage. Diverses solutions ont été proposées pour assurer cette régulation: a) Dans l'article "Manufacture of automotive components by pressure die casting in semi liquid state", paru dans DIE CASTING WORLD d'octobre 1992, R.MOSCHINI décrit un procédé qui consiste à mesurer directement la température du lopin durant les quelques secondes de son transfert du four de réchauffage à la presse d'injection grâce à un thermocouple à lecture rapide connecté à un manipulateur. Si la température mesurée est à l'extérieur d'un intervalle préétabli, le lopin est dérouté pour éviter d'entrer dans la presse à une température inadéquate.
Cette méthode présente divers inconvénients, à la fois dans son principe et dans sa réalisation pratique. D'une part, une température constante ne garantit pas une viscosité constante: en effet, la fraction liquide à température donnée peut varier en fonction des écarts de composition de l'alliage à l'intérieur d'une même spécification normalisée. Par exemple, dans un alliage d'aluminium du type AlSi7Mg (correspondant aux désignations A356 et A357 de l'Aluminum Association des USA), le silicium peut varier de 6,5 à 7,5%, ce qui entraîne une variation sensible de la fraction liquide à 577CC. Le degré de globularité de la phase primaire du métal peut lui aussi varier d'un lot à l'autre entraînant, à fraction liquide constante, une variation de la viscosité à température donnée. Enfin, pour les alliages présentant un plateau eutectique isotherme important, comme les alliages aluminium-silicium, la mesure de la température ne renseigne pas sur la fraction eutectique fondue.
D'autre part, sur le plan pratique, la mesure de température, répétée à un rythme de production de 60 à 100 cycles par heure, en surface et surtout à coeur d'un matériau métallique semi-solide, présente des difficultés importantes dues à l'encrassement des thermocouples ou à l'imprécision des mesures infra-rouges. b) On peut aussi réguler directement la température de réchauffage en contrôlant l'énergie fournie au four, ce qui est facilement réalisable dans les fours à induction. Mais, là encore, la variation du taux de globularité de la phase primaire et la dispersion des compositions chimiques à 1'intérieur des spécifications normalisées ne permettent pes d'assurer une constance suffisante de la viscosité du lopin réchauffé. De plus, les pertes énergétiques par convection peuvent varier de manière sensible pour une même installation en fonction des conditions d'environnement local telles que la température ambiante ou les courants d'air. c) On a enfin proposé de mesurer directement la viscosité du lopin réchauffé à 1'aide d'un palpeur du type pénétromètre
, comme celui décrit dans l'article de M.C.FLEMINGS, R.G.RIEK et K.P.YOUNG "Rheocasting" Materials Science and Engineering, vol. 25, 1976, pp. 103-117. Cette méthode, si elle n'introduit pas de biais, présente néanmoins des difficultés pratiques de réalisation. Le rythme de production rapide conduit assez vite à un encrassement du palpeur, dont la géométrie et l'état de surface sont modifiés, ce qui fausse la mesure. Par ailleurs, la pénétration d'un corps étranger dans le métal réchauffé peut entraîner des défauts tels que des inclusions d'oxydes ou des soufflures, en coupant ou perforant le lopin avant sa mise en forme, ce qui nuit à la qualité des pièces fabriquées. BUT DE L'INVENTION
L'invention a pour but d'éviter les inconvénients des méthodes décrites précédemment et de fournir un moyen de régulation simple, efficace et fiable de la viscosité du lopin réchauffé par l'intermédiaire du réchauffage, entraînant une qualité constante et reproductible des pièces fabriquées. OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour objet un procédé de mise en forme de matériaux métalliques à l'état semi-solide comportant: la préparation d'un lopin de matériau métallique thixotrope, correspondant au poids de métal mis en oeuvre à chaque cycle de fabrication de piè.es,
- le réchauffage de ce lopin à l'état semi-solide jusqu'à atteindre un taux de fraction liquide correspondant à la viscosité souhaitée pour la mise en forme, - le transfert de ce lopin à une presse à forger ou à mouler sous pression,
- la mise en forme du lopin par forgeage ou coulée sous pression, caractérisé en ce que la viscosité du lopin est régulée à la valeur souhaitée grâce à une régulation correspondante de la puissance de réchauffage par une grandeur liée à la résistance opposée par le matériau au poinçon de forgeage ou au piston d'injection pendant la phase de remplissage de la matrice de forge ou de l'empreinte du moule. La grandeur pilotant la régulation du réchauffage peut être la contre-pression mesurée sur le poinçon de forgeage ou le piston d'injection ou bien, dans le cas de la coulée sous pression, la vitesse d'avancement du piston d'injection à réglage hydraulique constant de la presse. DESCRIPTION DE L'INVENTION
En effet, la demanderesse a observé, lors de la coulée sous pression d'alliage aluminium-silicium du type AlSi7Mg, réchauffé à une fraction liquide d'environ 5^%, que la pression d'écoulement au cours de la deuxième phase correspondant au remplissage de l'empreinte du moule, était, de manière tout à fait inattendue, comprise entre 30 et 80 MPa, c'est à dire beaucoup plus élevée que celle prévue en théorie ou par les mesures de viscosité théorique décrites par exemple dans la thèse de W.LOUE mentionnée précédemment, qui indiquent des pressions de l'ordre de 0,001 à 0,1 MPa.
Elle a observé également que, lorsque la viscosité du matériau réchauffé variait d'un cycle de fabrication à l'autre, soit à cause d'une variation de fraction liquide due à l'instabilité du réchauffage, soit à un degré de globularité différent de la phase solide, la pression de remplissage variait. Enfin, en utilisant une machine de coulée sous pression traditionnelle, dont le cycle d'injection n'est pas piloté en boucle fermée, elle a observé que, pour un réglage constant de l'admission d'huile dans le vérin moteur, l'augmentation de pression nécessaire au remplissage se traduisait par un ralentissement de la vitesse d'avance du piston. Dans ce cas, le dispositif de thixoformage comprend:
- un four de réchauffage par induction, comportant deux zones dont les puissances peuvent être régulées séparément,
- un robot qui prend le lopin réchauffé et le transfère dans le conteneur de la machine de coulée sous pression, - une machine de coulée sous pression dont le système d'injection est conventionnel: un réglage d'admission d'huile au vérin moteur exprimé en pourcentage du maximum est fixé a priori, et l'on constate a posteriori la vitesse du piston et la contre-pression exercée par le métal au cours de son injection, appelée pression de remplissage.
- un micro-ordinateur qui reçoit de la machine de coulée sous pression les valeurs de vitesse du piston et de pression de remplissage, utilise ces informations dans un logiciel qui pilote la puissance de chauffage dans les deux zones du four de réchauffage. Le principe du logiciel de régulation consiste à comparer la valeur mesurée de la vitesse du piston à une valeur de consigne, correspondant à la vitesse qui a été choisie comme donnant des résultats satisfaisants au stade de la mise au point de la pièce. Les puissances de chauffe sont incrémentées ou décrémentées par pas successifs, par exemple de 3%, jusqu'à ce que la consigne soit dépassée, puis par pas plus petits, par exemple 1%, pour converger vers cette, consigne. EXEMPLE On a mis au point la fabrication d'une pièce de moteur d'automobile avec un lot de billettes d'alliage d'aluminium thixotrope du type AlSi7Mg sur une machine de coulée sous pression de 750 t de force de fermeture et avec un four de réchauffage comportant deux zones de réchauffage à respectivement 4 et 8 inducteurs. Le lopin séjourne 328 s dans la première zone et 654 s dans la deuxième zone. Les valeurs de consigne retenues ont été: réglage du débit d'huile au vérin moteur: 90% du maximum
- vitesse du piston: 0,60 m/s
- pression de remplissage: 32 MPa Avec le lot de billettes ayant servi à la mise au point, le réglage du chauffage permettant d'obtenir les valeurs de consigne de la vitesse du piston et de la pression de remplissage était:
- pour la première zone: 47,4 W - pour la deuxième zone: 15,5 kW
Lorsqu'un deuxième lot différent de billettes thixotropes a été utilisé, on a constaté que, sans changement de réglage, les paramètres d'injection étaient devenus:
- vitesse du piston: 0,51 m/s - pression de remplissage: 40 MPa ce qui indiquait une viscosité apparente plus élevée du matériau.
La régulation du système de réchauffage a alors été mise en oeuvre en utilisant comme paramètre de régulation la vitesse du piston, la pression de remplissage étant seulement enregistrée. Le programme a convergé vers le réglage suivant des puissances de chauffage:
- première zone: 53,2 kW (+ 11%)
- deuxième zone: 16,6 kw (+ 7%) Avec ce réglage de chauffage, on a retrouvé des paramètres d'injection pratiquement identiques aux valeurs de consigne:
- vitesse du piston: 0,60 m/s
- pression de remplissage: 31,8 MPa
On observe ainsi que, non seulement la vitesse du piston est revenue à la valeur de consigne utilisée pour la régulation, mais également que la pression de remplissage a retrouvé sa valeur initiale de consigne. Ceci montre bien que la viscosité apparente des lopins issus du second lot de billettes a été rendue égale à celle des lopins issus du premier lot.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé de mise en forme de matériaux métalliques à l'état semi-solide comportant: la préparation d'un lopin de matériau métallique thixotrope correspondant au poids de métal à mettre en oeuvre à chaque cycle de fabrication de pièces,
- le réchauffage de ce lopin à l'état semi-solide jusqu'à atteindre le taux de fraction liquide correspondant à la viscosité souhaitée pour la mise en forme,
- le transfert du lopin à une presse à forger ou à couler sous pression,
- la mise en forme du lopin par forgeage ou coulée sous pression, caractérisé en ce que la vicosité du lopin est régulée à la valeur souhaitée grâce à une régulation correspondante de la puissance de réchauffage par une grandeur liée à la résistance opposée par le matériau au poinçon de forgeage ou au piston d'injection pendant la phase de remplissage de la matrice de forge ou de 1'empreinte du moule.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur régulant le réchauffage est la contre- pression mesurée sur le poinçon de forgeage ou le piston d'injection.
3) Procédé de mise en forme par coulée sous pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur régulant le réchauffage est la vitesse du piston à réglage hydraulique constant.
4) Procédé de mise en forme par coulée sous pression sur une machine comportant un dispositif d'asservissement préprogrammé de la vitesse d'injection selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur pilotant le réchauffage est le réglage hydraulique de la machine .
) Procédé selon 1'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau métallique est un alliage d'aluminium.
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