Brevet FR2007807A1 — publié le 19700109

La présente invention'concerne de nouveaux alliages à bâse de zinc et d'aluminium. les alliages binaires à base de zinc et d'aluminium comprenant 78 io de zinc et 22 $ d'aluminium en poids sont connus. 5 On. peut donner à ces alliages une microstructure lamellaire ou non lamellaire par un traitement thermique approprié, mals on ne les utilise pas industriellement en raison des propriétés désavantageuses suivantes : a) - la vitesse de réaction pendant et après le refroi- 10 ( dissement est élevée et provoque ainsi une limitation de la dimension de la pièce et du réglage des structures résultantes ; b) - les propriétés mécaniques sont insuffisamment inté ressantes j 15 c) - la résistance de l'attaque par l'humidité est fai ble. On a découvert maintenant que des alliages è, base de zinc et d'aluminium ayant des propriétés supérieures et inattendues sans présenter les inconvénients ci-dessus peuvent être obtenus 20 en incorporant à l'alliage un ou plusieurs des éléments, magnésium, cuivre et lithium. Des propriétés particulières des nouveaux alliages suivant l'invention peuvent encore être améliorées par l'addition de faibles quantités de nickel et/ou d'ar-, gent. 25 Les nouveaux alliages suivant l'invention comprennent 70 à 82 pour cent en poids de zinc (le reste étant constitué sensiblement par l'aluminium) et du magnésium dans la gamme supérieure à 0,05-0,25 pour cent, et peuvent contenir jusqu'à 2 pour cent d'un ou plusieurs des éléments suivants : .cuivre, nickel', 30 et argent. Lorsque l'élément ajouté choisi est le cuivre, les alliages peuvent commodément contenir du magnésium dans une gamme supérieure à 0,05 à 0,20 pour cent en poids, et la quantité du cuivre est comprise entre 0 et 1,0 pour cent en. poids. 35 _ Le magnésium des alliages ci-dessus peut être remplacé par du lithium. On peut faire fondre les alliages par des processus métallurgiques classiques, en prenant soin d'agiter en raison de la grande différence de densité du zinc et de l'aluminium, et d'au- 40 très éléments de l'alliage désiré tels que le magnésium, le 69 14144 =2007807 cuivre, le lithium-, le nickel ou l'argent, peuvent être ajoutés comme, alliage de réserve. le choix et les proportions des éléments ajoutés au mélange de base de zinc et d'aluminium sont régies principalement 5 par les propriétés que l'on recherche dans l'alliage résultant. Dans tous les nouveaux alliages suivant l'invention, la vitesse de réaction de l'alliage eutectoïde dë zinc et d'aluminium est ralentie, c'est-à-dire la vitesse de transformation de la phase méta-stable alpha' en mélange à l'équilibre alpha-bêta. 10 Bien que le magnésium, le ci^ivre et le lithium soient efficaces sous ce rapport, le magnésium est dix fois plus efficace que le cuivre, et le magnésium en une quantité de plus de 0,12 pour cent avec ou sans cuivre, fournit un affinage du grain par la formation de particules libres. 15 _ la sensibilité connue des alliages bina^rçs de zinc et d'aluminium à l'attaque par l'humidité est fortement réduite par l'addition d'un ou plusieurs des éléments-tels que le magnésium et le cuivre. Cette sensibilité est réduite à un dixième environ de sa valeur par l'addition de 0,1 pour cent en-20 viron de magnésium ou de 1,0 pour cent de cuivre. En combinaison, l'addition de magnésium et de cuivre réduit la sensibilité jusqu'à des proportions à peu près négligeables, l'addition de lithium pour réduire la vitesse de réaction améliore également la résistance à l'attaque par l'humidité. 25 . le nickel se combine avec l'aluminium pour fournir des particules , d'une phase, microstructurale indépendante et peut être utilisé pouf fournir un affinage du grain en particulier dans les alliages ayant une faible teneur en magnésium. On peut utiliser en partie de l'argent pour remplacer le 3 0 cuivre. De nombreuses combinaisons d'alliages suivant l'invention, par exemple ceux contenant à la fois du magnésium et du cuivre, peuvent être préparés par des traitements thermiques appropriés afin de fournir des résistances à la traction de l'or- 35 dre de 3925 à 4710 kg/cm avec des limites élastiques de 3140 2 à 3925 kg/cm et des allongements de plus dé 15 pour cent. Dans de telles combinaisons, 'l'addition de cuivre améliore les valeurs de résistance au choc à basse température. les alliages de zinc et d'aluminium contenant à la fois 40 du magnésium et du cuivre présentent des propriétés d'ensemble 69 14144 3 2007807 remarquables lorsque les proportions de magnésium et de cuivre se trouvent dans la gamme comprise entr.e 0,125 + 0,025 et 1,25 + 0,25 pour cent, respectivement. On peut- taire varier la composition du ou des éléments d'alliage ajoutés et leurs 5 proportions pour obtenir des propriétés spéciales telles que le réglage de la vitesse de' réaction, par exemple pour obtenir une aptitude à produire un état final voulu au moyen de cycles de production particuliers. Les variations des proportions du zinc et de l'aluminium 10 à partir de- la composition eutectoîde (78 pour cent de zinc, 22 pour cent d'aluminium) fournissent des alliages ayant des propriétés de jeu inférieures sans caractéristiques désavantageuses indésirables. Ces changements de propriétés sont cependant progressifs et dans la gamme approximative -de 74 à 82 pour cent 15 de zinc et de 26 à 18 pour cent d'aluminium, la dégradation des propriétés physiques des alliages suivant l'invention n'est pas préjudiciable pourvu qu'on utilise les traitements thermiques corrects. Ainsi, la séparation chimique qui peut normalement exister dans les lingots de grand.e dimension ne .pose pas de 20 problèmes. Les alliages contenant du zinc en plus faibles proportions j aussi faibles que 70 pour cent, ne sont pas aussi résistants. Leur vitesse de réaction à un traitement thermique de grossissement des grains est plus rapide que celle des allia-25 ges eutectoïdes, et ils peuvent par conséquent être transformés d'une façon plus économique à l'état granulaire. Ces alliages à faible teneur en zinc peuvent être utilisés d'une façon appropriée comme alliage plus faible présentant de bonnes propriétés de résistance au choc à basse température. Le traitement thermique des nouveaux alliages consiste à homogénéiser l'alliage en le chauffant dans la zone alpha' (280-380°C), puis en refroidissant à une vitesse prédéterminée avec ou sans rechauffage ultérieur à des températures atteignant 275°Co La vitesse prédéterminée de refroidissement peut consis-35 ter en un lent refroidissement à travers le changement eutectoîde, ou en un refroidissement suffisamment rapide jusqu'à la température ambiante ou inférieure pour supprimer la transformation d'eutectoîde ou en un refroidissement rapide seulement jusqu'à la température de rechauffage. Les conditions exactes 40 ' du refroidissement peuvent être déterminées par la microstructure 69 14144 4 2007807 voulue, par exèmple un lent refroidissement peut donner une structure lamellaire. Une propriété inhabituelle et avantageuse des nouveaux alliages réside dans le fait que les microâtructures obtenues 5 sont stables aux températures d'utilisation. Un alliage contenant 78 de zinc, 22 d'aluminium et 0,15 "fa de magnésium a été traité pendant 4 heures à 250°C. Après repos à la température ambiante pendant 77 jours, il ne présente pas de changement de durété. Au cours d'autres essais, cet alliage deumàgnésium et 10 l'alliage binaire à 78 : 22 .de zinc et d'aluminium ont été traités à 250°'C pendant 24 heures. L'alliage binaire se ramollit lentement à la température ambiante depuis 73 Hv jusqu'à 65 Hv en 70 jours. L'alliage contenant du magnésium pon seulement ne se ramollit pas à la. température ambiante, mais sa dureté .supé-15 rieure, à savoir de 109 Hv, n'est pas affectée par un séjour de 20 heures à 103°G.- v " La déformation plastique des alliages ,'peut être réalisée par des processus classiques, par exemple par laminage et extru-sioru Après déformation, les alliages peuvent,- -si on le désire, être traités thermiquement pour acquérir leurs meilleurs propriétés 20 mécaniques» Dans certains cas,, il peut être préférable d',effectuer la transformation structurale désirée en même •fcenrps que le traitement méeaniqueo- " 1 Les valeurs inhabituellement élevées de l'allongement, indiquant ce qui est connu sous le nom de "suçerplasticité sont connues pour être associées aux microstruetures de texture par-25 ticulièrement fine. Ce comportement superplastique présenté par les alliages binaires de zinc et d'aluminium n'est pas perdu lorsque l'élément d'alliage est présent ; en fait, sa gamme d'utilité peut être accrue en"réglant la composition de l'alliage et la température. Par exemple, un alliage contenant 78 $ de 30 zinc, 22 fo d'aluminium et 0,15 i° de magnésium, préalablement traité à 360-°C et isothermiquement pendant 2 minutes à 188°C, lorsqu'il est soumis à des essais à un taux de contrainte de 0,254 mm/minute et à une température de 250°C, présente une . , p limite d'élasticité de 179,5 kg/cm et un allongement de 450.$. 35 Les alliages selon l'invention présentent/les avantages suivants : 1°) - La vitesse de réaction de l'alliage eutectoîde binaire de zinc et d'aluminium est ralentie. .Cette réduction-de.. vitesse permet un refroidissement efficace des sections plus 40 épaisses ou des vitesses de refroidissement plus"lentes pour 69 14144 5 2007807 les mêmes sections. Par exemple, des alliages binaires d'un diamètre de 12,7 mm doivent être trempés à l'eau, tandis que l'addition de 0,15 i° de magnésium permet un,refroidissement à l'air pour un alliage de cette dimension. 5 2°) - De meilleures propriétés mécaniquep telles que la résistance finale à la traction, la dureté, la résistance au fluage, et la résistance au choc entre -40° et + 50°G. 3°) - Des finis de surface de grande-qualité sont obtenus si l'on met en oeuvre des processus appropriés pour le traite-10 ment à chaud et le traitement thermique. 4°) - De meilleures propriétés à l'égard de la corrosion. 5°) - Une bonne aptitude à l'usinage. A titre d'exemple des nouveaux alliages selon l'invention, on prépare un alliage ayant la composition Fsuivante : 78 pour 15 cent de zinc et 22 pour cent en poids d'aluminium auxquels on ajoute 0,15 pour cent de magnésium. On prépare l'alliage en faisant fondre un alliage binaire de zinc et d'aluminium et en ajoutant, en agitant, la quantité nécessaire d'un alliage de réserve consistant en 95 pour cent d'aluminium et 5 pour cent de ma-20 gnésium. -On trempe l'alliage depuis une température de 360°C en le plongeant dans l'eau à 20°C. On chauffe ensuite l'alliage tremjpé jusqu'à une température de 250°C pendant une heure, l'alliage traité thermiquement présente une dureté de 114 Hv (Vie- 2 kers) et une résistance finale à la traction de 3937 kg/cm et 25 un allongement de 8 pour cent. A titre comparatif, l'alliage binaire à 78 : 22 de zinc et d'aluminium, lorsqu'on lui applique un traitement thermique analogue, présente une dureté- de 75 Hv et une résistance finale à la traction de 1890 kg/cm . le nouvel alliage traité thermiquement présente une résistance au choc 30 d'un échantillon non entaillé Hounsfield de 4»14 kgm et une température de transition d'environ -80°C. Il résiste, à une attaque par la vapeur d'eau et présente une conductivité électrique de 28,4 pour cent I.A.C.S. (international Annealed Copper Standard (20°C-))o Cette conductivité électrique est comparable à cel-35 le du laiton à 70 : 30 qui présente également une conductivité de 28 pour cent I.A.C.S. lorsqu'il est laminé jusqu'à ce taux de dureté (114 Hv). On a préparé un autre alliage ayant la composition suivante : 78 io de zinc et 22 $ en poids d'aluminium-auxquels on a 40 ajouté 0,055 1° de» lithium, ei ajoutant , en agitant, la quantité 69 14144 6 2007807 nécessaire dlun alliage de réserve consistant en 95 i° d,alumi-niumy 5 $ de lithium à un alliage binaire de zinc.et d'aluminium. Cet alliage préparé, après avoir subi le processus de traitement thermique précédemment décrit, présente une dureté 5 de 95 Hv. Les propriétés d'autres alliages fabriqués suivant l'invention "sont indiquées sur les tableaux ci-après.. Le Tableau I montre les propriétés mécaniques- des alliages ,de zinc, aluminium, ^magnésium contenant diverses quantités 10 de z-inc. TABLEAU I• Composition. j° en poids Traitement thermique .2 heures à 560°-C« trempé à l'eau-et 1 heure à 260°C ~ •Zinc Aluminium Autres éléments Limite élastique kg/cm2 Résistance finale à la traction kff/cm2 Allongement, * 78 22 +0,15 de Mg 4410' , 4473 28 82 18 +0,15 deMg .. 3780 ... 3906 19 70 30 +0,15- de Mg ' 2670 1795 environ 10 Le Tableau II montre les valeurs de résistance au choc de Charpy à la température ambiante et à des températures inférieures à la température ambiante d'alliages de zinc-aluminium-25 • magnés.ium-cuivre . • TABLEAU II Composition-. % en pdids Valeurs de résistance au choc de Charpy (échantillon non 7. entaillé) kgm Zinc Aluminium Autres é-léments Température ambian-, te -28°C -60°C -195°Ç 78 22 0,15 Mg. 13,8 11,730 2,346 0,276 +0,5 Cu » '70 30 0,15 Mg 11,592 11,040 12,144 0,138 +0,5 Cu 30 35 Le tableau III montre les propriétés mécaniques d'alliages contenant 78 pour cent de zinc et 22 pour cent d'aluminium en 40 poids avec diverses proportions'de.magnésium et de cuivre. I TABLEAU III O vO Composition- de l'alliage en poids 78 fo de Zn 22 io de , Al avec Trempé depuis 360°C,' rechauffé pendant 2 heures à 260°C et refroidi par eau Refroidi au four depuis 360°C à raison de 30 °C par heure Indice de dureté Hv Résistance à la traction kg/cm2 L.B„ R,E.T. A Résistance au choc, kgm Indice de dureté Hv Résistance à .la traction, kg/cm2 L.E. H.F.T, A , Résistance au choc*"- , kgm 0,15 M de Mg 0,15 i° de Mg 1,0 i° de Cu 0,10 1* de Mg 0,5 1° de Ou 0,20 io de Mg 0,5 ^ de Cu 118-122 119-128 355 Ç 4000 412,6 4457 16,7 20°C 9,384 -28,°C 4,416 15, S 118 117-121 3717 3811 4331 4504 19,£ 17, S 20°C 13,248 ■28°C 12,421 ■60°C 14,352 -60°C 34,49 -60°C 8,28 91-92 98-99 3181 3307 3559 3701 8-, 7 14,2 96,5 9#-100 3150 3559 3071 3606 14,2 11,7 20°C 5,93 -28°C 5,65 20°C 6,62 -28°C 7,59 -60°C 7,45 -60°C 5,52 20°C 7,31 -28°C 6,48 * Echantillon Charpy non entaillé L.E. : limite dtélasticité R.F.T. = Résistance finale à la traction 69 14144 8 2007807 Le Tableau IV montre l'effet comparatif d'additions de magnésium et de cuivre sur les propriétés d'un alliage à 78 pour cent de zinc et 22 pour cent d'aluminium en poids. Les résultats sont obtenus à la température ambiante aur une matière extrudée 5 qui a été soumise à un traitement thermique consistant en un séjour de 2 heures à 360°C, un transfert à 186°C et un séjour isothermique d'une heurej puis un trempage à l'eau. 'TABLEAU IV ' Eléments j 10 | ajoutés | i L.E.o kg/ cm i R.F.ï. kg/cm^ 1 Allonge-1 ment, fi ■ Résistance au choc Houdafield (échantillon non entaillé) kgn à -40°C 1 J + 1,0 fi de Cu 2691 34&5 • 37 4,83". 1+ 0,1 fi de Mg 3906 3969 24 5,17 15 j 1,0 fi de Cu + 0,1 fi de Mg 3969 4095 18 5,45 | Le tableau V montre le comportement sous tension d'alliages de matière extrudée à des températures élevées dans un état 20 de traitement préalable et à an taux de contrainte de 0,254 nim/ minute. Tous les alliages contiennent 78 pour cent ie zinc et 22 pour cent d'aluminium, en poids, auxquels on a ajouté d'autres éléments d'alliages. TABLEAU V 25 i Eléments ajoutés l " Traitement préalable Température de l'essai. °C L o E. 2 kg/cm Allongement , $ 1* ! 0,1 fi de Mg !+2,0 fi de Cu i 30 2 heures à 36[Q0C + traitement•isothermique pendant 2 heures à 260°-C. 150 200 1212 378 90 200 [ 1 1- 0,1 fi de Mg * 1 +2,0 fi de Ni Il H 150. 897 110 î 0,1 fi de Mg ' ! +0,5 fi de Ag. M r H \ 150 . 866 133 | 35 1 0,1 fi de Mg. i+l,0 fi de M. î 2 heures à 360°C, refroidi par. eau, i puis 16 heures à ! 125°C + 4 heures | à 260°C 150 200 882 362 166 | 200 [ i i i i 40 0,15 fi de Mgj 2 heures .à 360°C + j ! traitement isother-i 1 mique de 2 minutes ! ! à 188°C 250 179 i 450 î / \ L 69 14144 9 2007807 10 15 20 25 On a. soumis les alliages suivant l'invention à de la vapeur d'eau à 100°C pendant diverses périodes de temps. On a examiné des microsections des échantillons à un grossissement de 500 fois à la fin des essais pour déterminer la profondeur de la pénétration de l'attaque. Les alliages essayés contiennent 78 fi de zinc, 22 fi êl'aluminium, en poids, auxquels on a ajouté 0,10 fi de Mg, 0,5 fi ie Cu + 0,10 à 0,20 fi de Mg,-1,0 fi de Cu + 0,1 fi de Mg, 1,0 fi de° Cu + 0,15 $.de Mg, 2,0 fi de Cu + 0,1 fi de Mg, et 2,0 fi de Cu + 0,15 fi de Mg. Tous les alliages sont préalablement traités à 360°C pendant 2 heures plus 1 heure isothermiquement à 188°C, plus 1 heure à 260°C, et sont ensuite soumis à de la vapeur d'eau à 100°C pendant 48 heures. Les résultats sont indiqués sur le Tableau VI. . - TABLEAU VI Eléments ajoutés Profondeur approximative de pénétration, mm 30 Néant 0,10 io de Mg. 0,5 fi de CU. 0,10 à 0,20 fi de Mg. 1,0 fio de Cu. 0,1 $ de Mg. 1,0 fi de Cu. 0,15 fi de Mg. 2,0-/» de Cu. 0,1 fi de Mg. 2,0 fi de Cu. 0,15 fi de Mg. 0,406 0,038 0,063 Négligeable Négligeable Négligeable Négligeable D'autres essais effectués pendant 96 heures confirment ces résultats comparatifs. A titre de comparaison, un alliage contenant 0,10 fi de Mg, 35 lorsqu'il est exposé à l'extérieur pendant une année, présente une attaque extrêmement faible, d'environ 0,025 mm. 69 14144 10 2007807 REVENDICATIONS 1°) - Alliages à base de zinc et d'aluminium^ caractérisés en ce qu'ils comprennent du zinc dans la proportion de -70 à 82 pour cent en poids (le reste étant sensiblement constitué par 5 de l'aluminium), et du magnésium dans une proportion supérieure à 0,'05 à 0,25 pour cent, et peuvent contenir jusqu'à 2 pour cent en poids d'un ou plusieurs éléments tels que le cuivre, le nickel et l'argent. 2°) - Alliage de zinc et d'aluminium, caractérisé en ce 10 qu'il contient 70 à 82 pour .cent en poids de zinc (le reste étant constitué sensiblement par dé l'aluminium), dans lequel la quantité de magnésium.est comprise dans la gamme supérieure à 0,05 à 0,20 pour cent en poids, et la quantité de cuivre est comprise entre 0 et 1,0 pour cent en poids. 15 3°) - Alliage de zinc et d'aluminium suivant la revendi cation 1, caractérisé en ce que la quantité de.magnésium est comprise entre 0,10 et 0,15 pour cent en poid3. 4°) - Alliage de zinc et d'aluminium suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité de magnésium est 20 comprise entre 0,10 et 0,15 pour cent en poids, 5°) - Alliage de zinc et d'aluminium suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient du cuivre dans la proportion de 1,25 + 0,25 pour cent en poids et du magnésium dans la proportion de 0,125 + 0,025 pour cent en poids. 25 6°) - Variante de l'alliage de zinc et d'aluminium suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le magnésium est remplacé par le lithium. 7°) _ procédé de traitement thermique d'un alliage de zinc et d'aluminium suivant l'une quelconque des revendications pré-30 cédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer l'alliage jusqu'à une température comprise entre 280°C et 380°C, et à refroidir à une vitesse déterminée. 8°) _ procédé suivant la revendication 7j caractérisé en « ce que l'alliage est ultérieurement rechauffé jusqu'à une tem-35 pérature ne dépassant pas 275°C. 9°) - Procédé suivant la revendication 7 ou 8, caracté- - risé en ce que l'alliage est chauffé jusqu'à une température « comprise entre 280° et 380°C, puis est ensuite trempé. 10°) - Procédé selon la revendication . 7 ou 8', caractérisé 40 en ce que l'alliage est chauffé jusqu'à une température comprise 69 14144 ii 2007807 entre 280° et 380°C, et est maintenu à une température intermédiaire comprise entre cette gamme et la température ambiante avant le refroidissement jusqu'à la température ambiante.