WO2003052151A1 - Pièce coulé sous pression en alliage d'aluminium à haute ductilité et résilience - Google Patents

Pièce coulé sous pression en alliage d'aluminium à haute ductilité et résilience Download PDF

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François COSSE
Jean-Jacques Perrier
Stig Brusethaug
Jorunn Snoan Maeland
Lutz Storsberg
Willi Schneider
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Aluminium Pechiney
Norsk Hydro Asa
Audi Ag
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/047—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the field of Al-Mg-Si alloys intended for the manufacture of parts molded by die casting under pressure of relatively thin thickness, and in particular structural or safety parts for the automobile.
  • the high copper content if it has a favorable influence on the mechanical strength, makes the alloy susceptible to corrosion.
  • good resistance to corrosion, in particular to stress corrosion, is necessary to avoid deterioration of the part in a corrosive environment such as snow-removing salt.
  • Patent EP 0792380 filed in 1994 by Aluminum Rheinfelden describes the use for the molding in the semi-solid state of an alloy of composition (% by weight): Mg: 3.0 - 6.0 Si: 1, 4 - 3.5 Mn: 0.5 - 2.0 Fe ⁇ 0.15 Ti ⁇ 0.2
  • the divisional application EP 0853133, resulting from the application of the preceding patent, relates to an alloy for pressure casting of composition:
  • AlMgMn alloys have been used for the manufacture of diecast car steering wheels.
  • DE 3827794 Toyoda Gosei relates to the use, for a flywheel of a particular shape, on the one hand of an alloy of composition: Mg: 1, 5 - 2.5 Si: 0.2 - 0.4 Fe : 0.4 - 1.0 Mn: 0.4 - 0.6 and on the other hand an alloy of composition:
  • Patent EP 0412605 (Kolbenschmidt) describes, for the same application, the use of an alloy of composition: Mg: 2.5 - 3.5 Si: 0.10 - 0.30
  • Patent application EP 0911420 (Aluminum Rheinfelden) describes a casting alloy with a composition: Mg: 2.0 - 3.5 Si: 0.15 - 0.35 Mn: 0.2 - 1.2
  • Patent application EP 1138794 (Corus Aluminum) describes an alloy for pressure casting of composition: Mg: 2.7 - 6.0 Si ⁇ 1.4 Mn: 0.4 - 1.4
  • the invention aims to provide structural parts, ground connections and safety for the automobile die-cast, having both good mechanical strength, high ductility and high energy absorption capacity, good corrosion resistance and sufficient moldability, while allowing mass production in acceptable economic conditions.
  • the subject of the invention is a part, in particular a security, structural or ground connection part of a motor vehicle, die-casting in aluminum alloy of composition (% by weight):
  • Mg 1.0 -4.5 Si: 0.2 - 1.3 Cu ⁇ 0.3 Zn ⁇ 0.1 l Fe ⁇ 0.3 Ti ⁇ 0.3 and at least one element intended to reduce sticking to the mold : Mn (0.3 - 1), Cr (0.1 -
  • the alloy optionally contains Be at a content of less than 50 ppm.
  • the subject of the invention is also a pressure casting part of the indicated composition, having in the T5 state (annealing at a temperature between 150 and
  • the invention is based on the observation by the Applicant that by lowering the magnesium and silicon content compared with the alloys of the prior art intended for the manufacture of safety die-cast parts, an advantageous compromise of properties can be obtained. of use, in particular between the elastic limit in the F state (raw foundry) and ductility, while retaining an acceptable moldability.
  • the magnesium content is at least 1% for the alloy to be castable, and must not exceed 4.5% if we want to have a high ductility even in the T5 state, that is to say at the annealed condition at a temperature between 100 and 200 ° C, corresponding to the firing temperature of the paints of a motor vehicle.
  • the preferred content is between 2 and 4%.
  • the silicon content is at least 0.2% to obtain sufficient breaking strength and yield strength, while retaining high ductility. She is preferably between 0.4 and 1%.
  • Magnesium and silicon combine to form Mg Si, which is in the form of a very fine eutectic at the rates of solidification of the die casting. The presence, in a non-negligible quantity, of an eutectic fraction contributes to improving the processing properties by reducing the formation of hot cracks.
  • a certain amount of magnesium due to the rapid cooling rate in the mold, remains in the solid aluminum solution, which is thus supersaturated.
  • the Applicant has found that, for a given silicon content within the limits according to the invention, the elongation at break increases rapidly when the magnesium content decreases. Conversely, for a given magnesium content, a decrease in the silicon content makes it possible to increase the elongation at break, while maintaining the elastic limit above 100 MPa.
  • Copper should be kept below 0.3%, and preferably below
  • Iron, manganese, chromium, cobalt, molybdenum and nickel form, individually or in combination with aluminum, intermetallic compounds which are embrittling in the case of sand casting or shell casting by gravity .
  • these compounds are of reduced size and of morphology such that the mechanical strength is not affected.
  • the presence of these elements makes it possible to limit the bonding of the parts in the mold, by reducing the chemical potential of the alloy compared to the steel of the mold. As the iron content has an unfavorable influence on the elongation and must be limited to
  • Die-cast parts are preferably used in the foundry raw state, to avoid deformation during quenching and subsequent costly straightening. They are not very sensitive to annealing resulting from the curing of paints practiced in the automotive industry. This treatment typically has a duration of between 15 min and 1 h, at a temperature of between 150 and 200 ° C.
  • the parts according to the invention have, in state F or in state T5, an elastic limit always greater than 100 MPa, or even 120 MPa, and an elongation greater than 15%, which promotes the capacity d 'absorption of impact energy, and makes it possible to apply assembly techniques requiring high ductility, such as crimping or riveting.
  • Sample plates in 9 different alloys A to I were produced by pressure casting, with vacuum assistance (residual pressure in the mold of 80 hPa), the composition of which is given in Table 1.
  • the plates were 120 ⁇ 220 mm and 2.5 mm thick.
  • the casting was done on a 3200 kN press with a closing force, with a piston injection speed of 0.7 m / s.
  • the metal temperature in the oven was 780 ° C. Table 1
  • the T5 treatment leads to a slight increase in hardness for the alloys whose Mg / Si ratio is low, and a maintenance of the hardness for those whose Mg / Si ratio is higher.

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Abstract

L'invention a pour objet une piíce, notamment une piíce de sécurité, de structure ou de liaison au sol d'un véhicule automobile, coulée sous pression en alliage d'aluminium de composition % en poids Mg: 1,0 - 4,5 Si : 0,2 -1,3 Cu < 0,3 Zn < 0,1 Fe < 0,3 Ti < 0,3 et au moins un élément destiné à réduire le collage au moule: Mn 0,3 - 1, Cr 0,1 - 0,4, Co 0,1 - 0,4, V 0,1 - 0,4 et Mo 0,1 - 0,4, autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, le reste étant de l'aluminium.

Description

Pièce coulée sous pression en alliage d'aluminium à haute ductilité et résilience
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine des alliages Al-Mg-Si destinés à la fabrication de pièces moulées par coulée sous pression d'épaisseur relativement mince, et notamment des pièces de structure ou de sécurité pour l'automobile.
Etat de la technique
La nécessité d'alléger les véhicules a favorisé le développement croissant de pièces de sécurité moulées de forme complexe avec intégration de plusieurs fonctions et devant satisfaire aux différents tests de déformation utilisés par les constructeurs automobiles tels que le « crash test » ou le « body-bloc », ainsi qu'aux exigences des diverses méthodes d'assemblage.
Des alliages connus, tel que l'alliage Al-Si9Cu3Mg permettent d'obtenir, à l'état non traité F, une résistance à la rupture Rm d'au moins 300 MPa et une limite d'élasticité Rp0,2 d'au moins 230 MPa. Par contre, l'allongement à la rupture A ne dépasse pas 2%. Or, les pièces de structure ou de sécurité pour l'automobile requièrent une ductilité suffisante pour absorber l'énergie et éviter une rupture en cas de choc, ainsi que pour s'adapter à divers modes d'assemblage.
D'autre part, la teneur élevée en cuivre, si elle a une influence favorable pour la résistance mécanique, rend l'alliage sensible à la corrosion. Or, une bonne résistance à la corrosion, notamment à la corrosion sous contrainte, est nécessaire pour éviter une détérioration de la pièce dans un environnement corrosif tel que le sel de déneigement.
Diverses formulations d'alliages ont été proposées pour répondre à ces exigences. Le brevet EP 0792380 déposé en 1994 par Aluminium Rheinfelden, décrit l'utilisation pour le moulage à l'état semi-solide d'un alliage de composition (% en poids) : Mg : 3,0 - 6,0 Si : 1,4 - 3,5 Mn : 0,5 - 2,0 Fe < 0,15 Ti < 0,2 La demande divisionnaire EP 0853133, issue de la demande du brevet précédent, concerne un alliage pour coulée sous pression de composition :
Mg : 4,6 - 5,8 Si : 1,8 - 2,5 Mn : 0,5 - 0,9 Fe < 0,15 Ti < 0,2. pour lequel un traitement thermique des pièces moulées n'est pas indispensable pour obtenir de bonnes caractéristiques mécaniques.
Le brevet US 5667602, déposé en 1995 par Alcoa, décrit un alliage pour coulée sous pression, destiné notamment aux nœuds de structure de carrosserie automobile de type « space-frame », de composition : Si < 0,30 Fe < l,00 Mg : 2,00 - 5,00
Mn : 0,20 - 1 ,60 Zr : 0, 10 - 0,30. De bonnes propriétés mécaniques sont obtenues sans traitement thermique des pièces coulées. Le brevet US 6132531, déposé en 1997 également par Alcoa, concerne un alliage du même type, pour la même application, de composition : Si < 0,20 Fe < 0,20 Mg : 2,80 - 3,60 Mn : 1 , 10 - 1 ,40
Ti < 0,15 Be : 0,0005 - 0,0015.
Par ailleurs, on a utilisé des alliages AlMgMn pour la fabrication de volants de voiture coulés sous pression. Le brevet DE 3827794 (Toyoda Gosei) concerne l'utilisation, pour un volant de forme particulière, d'une part d'un alliage de composition : Mg : 1 ,5 - 2,5 Si : 0,2 - 0,4 Fe : 0,4 - 1 ,0 Mn : 0,4 - 0,6 et d'autre part d'un alliage de composition :
Mg : 1,5 - 2,4 Si < 1,0 Fe : 0,3 - 0,8 Mn : 0,2 - 0,4
Le brevet EP 0412605 (Kolbenschmidt) décrit, pour la même application, l'utilisation d'un alliage de composition : Mg : 2,5 - 3,5 Si : 0,10 - 0,30
Fe : 0,40 - 0,60 Mn : 0,25 - 0,45 Cu : 0,015 - 0,05 Zn : 0,035 - 0,065
La demande de brevet EP 0911420 (Aluminium Rheinfelden) décrit un alliage de moulage de composition : Mg : 2,0 - 3,5 Si : 0,15 - 0,35 Mn : 0,2 - 1,2
Fe < 0,40 Cu < 0,10 Zn < 0,10 Cr < 0,05 Co < 0,60 Ce < 0,80.
La demande de brevet EP 1138794 (Corus Aluminium) décrit un alliage pour coulée sous pression de composition : Mg : 2,7 - 6,0 Si < 1 ,4 Mn : 0,4 - 1 ,4
Zn: 0,10- 1,5 Fe<l,0 Zr<0,3 V<0,3 Se < 0,3.
But et objet de l'invention
L'invention a pour but de fournir des pièces de structure, de liaisons au sol et de sécurité pour l'automobile coulées sous pression, présentant à la fois une bonne résistance mécanique, une ductilité élevée et une grande capacité d'absorption d'énergie, une bonne résistance à la corrosion et une aptitude suffisante au moulage, tout en permettant une fabrication en grande série dans des conditions économiques acceptables.
L'invention a pour objet une pièce, notamment une pièce de sécurité, de structure ou de liaison au sol d'un véhicule automobile, coulée sous pression en alliage d'aluminium de composition (% en poids) :
Mg : 1,0 -4,5 Si : 0,2 - 1,3 Cu < 0,3 Zn < 0,l Fe < 0,3 Ti < 0,3 et au moins un élément destiné à réduire le collage au moule : Mn (0,3 - 1), Cr (0,1 -
0,4), Co (0,1 - 0,4), V (0,1 - 0,4) et Mo (0,1 - 0,4), autres éléments < 0,05 chacun et
0,15 au total, le reste étant de l'aluminium.
Les teneurs préférentielles sont les suivantes : Mg : 2,0 - 4,0 Si : 0,4 - 1 ,0
Cu < 0, 1 Fe < 0,2 Ti : 0,05 - 0,25
L'alliage contient éventuellement Be à une teneur inférieure à 50 ppm.
L'invention a également pour objet une pièce coulée sous pression de la composition indiquée, présentant à l'état T5 (recuit à une température comprise entre 150 et
200°C) une limite d'élasticité de plus de 100 MPa et un allongement à la rupture de plus de 15%.
Description de l'invention
L'invention repose sur la constatation par la demanderesse qu'en abaissant la teneur en magnésium et en silicium par rapport aux alliages de l'art antérieur destinés à la fabrication de pièces de sécurité coulées sous pression, on peut obtenir un compromis intéressant de propriétés d'emploi, notamment entre la limite d'élasticité à l'état F (brut de fonderie) et la ductilité, tout en gardant une aptitude au moulage acceptable. La teneur en magnésium est d'au moins 1% pour que l'alliage soit coulable, et ne doit pas dépasser 4,5% si on veut avoir une ductilité élevée même à l'état T5, c'est-à- dire à l'état recuit à une température comprise entre 100 et 200°C, correspondant à la température de cuisson des peintures d'un véhicule automobile. La teneur préférentielle est comprise entre 2 et 4%.
La teneur en silicium est d'au moins 0,2% pour obtenir une résistance à la rupture et une limite d'élasticité suffisantes, tout en conservant une ductilité élevée. Elle est comprise, de préférence entre 0,4 et 1%. Le magnésium et le silicium se combinent pour former Mg Si, qui se présente sous forme d'un eutectique très fin aux vitesses de solidification de la coulée sous pression. La présence, en quantité non négligeable, d'une fraction eutectique contribue à améliorer les propriétés de mise en œuvre en diminuant la formation de criques à chaud. D'autre part, une certaine quantité de magnésium, du fait de la vitesse de refroidissement rapide dans le moule, reste dans la solution solide d'aluminium, qui se trouve ainsi sursaturée.
La demanderesse a constaté que, pour une teneur donnée en silicium à l'intérieur des limites selon l'invention, l'allongement à la rupture augmente rapidement lorsque la teneur en magnésium diminue. Inversement, pour une teneur donnée en magnésium, une diminution de la teneur en silicium permet d'augmenter l'allongement à la rupture, tout en maintenant la limite d'élasticité au dessus de 100 MPa.
Le cuivre doit être maintenu au dessous de 0,3%, et de préférence au dessous de
0,1%, pour obtenir une résistance suffisante à la corrosion atmosphérique et à la corrosion sous tension.
Le fer, le manganèse, le chrome, le cobalt, le molybdène et le nickel forment, individuellement ou en combinaison avec l'aluminium, des composés intermétalliques qui sont fragilisants dans le cas de la coulée en sable ou de la coulée en coquille par gravité. Par contre, en coulée sous pression, compte tenu des vitesses de refroidissement dans le moule, ces composés sont de taille réduite et de morphologie telle que la résistance mécanique n'en est pas affectée. En revanche, la présence de ces éléments permet de limiter le collage des pièces dans le moule, en diminuant le potentiel chimique de l'alliage par rapport à l'acier du moule. Comme la teneur en fer a une influence défavorable sur l'allongement et doit être limité à
0,5%, et de préférence à 0,2%, la présence, en plus du fer, de l'un au moins des autres éléments mentionnés ci-dessus est indispensable.
Un affinage soigné des grains primaires de la solution solide d'aluminium par un alliage-mère ou un sel contenant du titane ou du bore, par exemple un mélange de fluoborate et de fluotitanate de potassium, permet de supprimer presque complètement la tendance à la formation de criques à chaud, et contribue à diminuer la taille des microporosités résultant de la contraction pendant la solidification, ce qui améliore la compacité des pièces. L'alliage affiné contient alors entre 0,05 et 0,25% de titane et entre 10 et 30 ppm de bore résiduels. Les éléments alcalins, tels que le sodium, le calcium ou le strontium, doivent être maintenus à une teneur très basse, de préférence en dessous de 10 ppm, car ils ont une influence défavorable sur les caractéristiques mécaniques. Une addition de béryllium, limitée à 50, et de préférence à 30 ppm, est avantageuse pour limiter la tendance à l'oxydation des alliages à l'état liquide.
Les pièces coulées sous pression, avec ou sans assistance de vide, sont utilisées de préférence à l'état brut de fonderie, pour éviter les déformations à la trempe et un redressage ultérieur coûteux. Ils sont peu sensibles au recuit résultant de la cuisson des peintures pratiquée dans l'industrie automobile. Ce traitement a typiquement une durée comprise entre 15 mn et 1 h, à une température comprise entre 150 et 200°C.
Les pièces selon l'invention présentent, à l'état F ou à l'état T5, une limite d'élasticité toujours supérieure à 100 MPa, voire à 120 MPa, et un allongement supérieur à 15%, ce qui favorise la capacité d'absorption d'énergie aux chocs, et rend possible l'application de techniques d'assemblage nécessitant une grande ductilité, comme le sertissage ou le rivetage.
La réduction de la teneur en magnésium par rapport aux alliages de l'art antérieur destinés à des pièces similaires favorise l'aptitude au soudage TIG, Mig ou laser, et une excellente compatibilité avec les alliages d'aluminium de la série 6000 utilisés pour les tôles de carrosserie.
Exemples
Exemple 1
On a étudié l'influence de la composition et du rapport Mg/Si sur les caractéristiques mécaniques statiques des pièces coulées sous pression. On a produit par coulée sous pression, avec assistance de vide (pression résiduelle dans le moule de 80 hPa), des plaques échantillons en 9 alliages différents A à I, dont la composition est donnée au tableau 1. Les plaques étaient de format 120 x 220 mm et d'épaisseur 2,5 mm. La coulée a été faite sur une presse de 3200 kN de force de fermeture, avec une vitesse d'injection au piston de 0,7 m/s. La température du métal au four était de 780°C. Tableau 1
Figure imgf000007_0001
Dans ces plaques non traitées thermiquement, on a usiné des éprouvettes de traction, prélevées dans des zones ne présentant aucun défaut visible en radiographie, et on a mesuré la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rp0,2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %). Les résultats (moyennes de 10 éprouvettes) sont repris au tableau 2.
Tableau 2
Figure imgf000007_0002
Les résultats montrent que, pour les alliages à 3 et 4% Mg, l'allongement augmente de manière significative lorsque la teneur en Si diminue de 1,4 à 0,3%. Cette tendance ne se prolonge pas pour les alliages à 5% Mg, pour lesquelles l'allongement reste voisin de 10%. Pour une teneur en Si de 1,4%, les alliages à 3, 4 ou 5% Mg conduisent à des valeurs voisines pour Rm, Rp0j2 et A. Pour des teneurs en Si de moins de 1%, les alliages à 3 et 4% Mg conduisent à une limite d'élasticité supérieure à 120 MPa et un allongement supérieur à 15%
Exemple 2
On a étudié l'effet sur la dureté des pièces d'un traitement de cuisson des peintures par rapport à l'état brut de coulée et vieilli naturellement à la température ambiante. Sur des éprouvettes de traction similaires à celles de l'exemple 1, on a mesuré, pour les alliages B, D, E et H, la dureté Hv 5/30 à l'état vieilli naturellement et à l'état T5 après un recuit de 20 mn à 190°C. Les résultats sont indiqués au tableau 3 :
Tableau 3
Figure imgf000008_0001
On constate que le traitement T5 conduit à une légère augmentation de la dureté pour les alliages dont le rapport Mg/Si est faible, et un maintien de la dureté pour ceux dont le rapport Mg/Si est plus élevé.
On a étudié par ailleurs l'effet sur les caractéristiques mécaniques de l'alliage A avec 0,5% Mn de la durée du traitement en les comparant à l'état F et à deux états T5, l'un avec un recuit de 20 mn, l'autre de 60 mn à 190°C. Les résultats sont indiqués au tableau 4 : Tableau 4
Figure imgf000009_0001
On constate que ce type de traitement n'affecte pratiquement pas les caractéristiques mécaniques, ce qui est un avantage, car les propriétés d'absorption d'énergie pour les pièces de sécurité à haute capacité de déformation sont conservées dans les assemblages. D'autre part, les cotes usinées des pièces ne risquent pas d'être modifiées par ce traitement.

Claims

Revendications
1. Pièce, notamment pièce de sécurité, de structure ou de liaison au sol d'un véhicule automobile, coulée sous pression en alliage d'aluminium de composition (% en poids) :
Mg : 1,0 - 4,5 Si : 0,2 - 1,3 Cu < 0,3 Zn < 0,10 Fe < 0,3 Ti < 0,3, et au moins un élément destiné à réduire le collage au moule : Mn (0,3 - 1), Cr (0,1 - 0,4), Co (0,1 - 0,4), V (0,1 - 0,4) et Mo (0,1 - 0,4), autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, le reste étant de l'aluminium.
2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en Mg est comprise entre 2,0 et 4,0%.
3. Pièce selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en Si est comprise entre 0,4 et 1,0%
4. Pièce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en Cu est inférieure à 0,10%.
5. Pièce selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en Fe est inférieure à 0,2%.
6. Pièce selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en Ti est comprise entre 0,05 et 0,25%.
7. Pièce selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'alliage contient Be à une teneur inférieure à 50 ppm.
8. Pièce selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle présente à l'état T5 (recuit à une température comprise entre 150 et 200°C) une limite d'élasticité de plus de 100 MPa et un allongement à la rupture de plus de 15%.
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