Brevet FR2135410A1 — publié le 19721222

La présente invention concerne des alliages de fonderie au magnésium auxquels elle apporte des perfectionnements. Elle vise en particulier des alliages au magnésium convenant pour le moulage en coquille. Les alliages de fonderie au magnésium habituels, par exemple les alliages ASTIS AZ 91 A et B (8,5 à 9,5 ss d'aluminium, 0,45 à 0,90 % de zinc, plus de 0,15 , de manganèse, moins de 0,2 % de silicium, le reste étant du magnésium), communément employés pour le moulage en coquille, présentent des défauts tels qu'unie médiocre fluidité du métal en fusion, une capacité de moulage peu satisfaisante, une susceptibilité de fissuration au moulage, une faible imperméabilité sous la pression et une faible résistance à l'usure. Un des objets de la présente invention est d'éliminer tous ces défauts des alliages de fonderie au magnésium habituels, et de produire des alliages de fonderie au magnésium ayant une meilleure fluidité du métal en fusion et une capacité de moulage améliorée, présentant une imperméabilité sous la pression remarquablement accrue, ainsi qu'unie meilleure résistance à l'usure, et évitant la fissuration au moulage. Le but de l'invention est atteint par l'addition de silicium et l'augmentation de la teneur en aluminium dans les alliages au magnésium Al-Mn ou les alliages au magnésium Al-Mn-Zn. Plus précisément, l'alliage de fonderie au magnésium suivant la présente invention comprend 6 à 15 t/o d'aluminium, 0,1 à 0,5 fo de manganèse, 0,5 à 2,5 /0 de silicium, le reste étant du magnésium et les impuretés inévitables. Les alliages de fonderie au magnésium suivant la présente invention peuvent dans certains cas contenir 0,3 à 3,0 0/o de zinc. Le présent alliage de fonderie au magnésium peut contenir en outre, si nécessaire, un ou plusieurs éléments choisis parmi le groupe comportant Be (gel), Ca, Ba, Sn, P, Sb, Na, Se et des élé mentis de terre rare. Pour une meilleure appréciation du présent alliage de fonderie au magnésium, la solidification de cet alliage sera expliquée ciaprès. En général, la dendrite se forme dans les alliages au moment de la solidification, d'un coté à plus basse température vers un côté à température plus élevée. Dans le cours de la formation de la dendrite, la présence d'une phase pieuse est toujours observée dans la partie supérieure encheeAtrée de la dendrite. Cette phase piteuse est riche en solution solide a, et a une viscosité élevée; elle entrave ainsi 1 'écoulement du métal en fusion restant encore dans les parties centrales à haute température des moulages. Dans les alliages ordinaires, par exemple l'alliage AZ 91, ces phases pâteuses se produisent sur une très grande étendue, et ainsi la fluidité comme la capacité de moulage sont médiocres. Pour éliminer ces défauts il est nécessaire d'augmenter la précipitation des eutectiques de M17A112 et de la solution solide . Pendant le cours de la solidification, la partie ayant une plus forte proportion de structure eutectique a une plus faible viscosité, ce qui donne une meilleure fluidité au métal en fusion. Et cette fluidité améliorée du métal en fusion rend plus facile l'ame- née du métal dans les vides de la dendrite, ce qui donne une compacité sous pression améliorée. Les eutectiques augmentés peuvent aussi réduire le retrait pendant la phase de solidification et limiter la formation de microporosité, et ainsi contribuer à améliorer ltimperméabilité sous la pression. Et dans le cas où des effets de refroidissement sont à attendre, comme dans le cas des moulages en coquilles, une nouvelle augmentation de la précipitation deseutectiques peut autre escomptée. En vue de ce qui précède, la teneur en aluminium adoptée pour les alliages habituellement utilisés et allant jusqu'à 10 %, est augmegtée-jusqutà 15 % afin d'augmenter la précipitation des eutectiques, et ltétendue de la teneur en aluminium est fixée, dans la présente invention, à 6 - 15 %. Quand la teneur en aluminium augmente, les alliages au magnésium deviennent cassants; particulièrement quand la teneur en aluminium dépasse 15 %, les alliages au magnésium deviennent soudainement cassants, comme le montrent les résultats des essais de résistance-à la flexion, semblables aux essais de flexion de la fonte de fer. C'est pourquoi dans la présente invention, l'addition d'aluminium est limitée à15 % au maximum. Les raisons pour fixer la limite inférieure de la teneur en aluminium à 6 ffi sont indiquées plus loin. Comme dit précédemment, dans le cas où des effets de refroidissement sont à attendre, comme dans les moulages en coquille, une précipitation accrue des eutectiques est escomptée. Par exemple, en jugeant d'après le diagramme de phase dwun alliage binaire d'aluminium et magnésium, la précipitation d'eutectiques ne peut pas être escomptée, à moins que la teneur en aluminium de l'alliage binaire Al-g soit supérieure à 12,7 %. Cependant, dans le cas où des effets de refroidissement sont attendus, comme dans le moulage en coquille, la précipitation d'eutectiques peut eatre observée, mtme dans un alliage au magnésium contenant seulement ó ,o' dtaluminium. Par conséquent, le but de l'invention est pleinement atteint dès que la teneur en aluminium est supérieure à 6 ,0. Une autre caractéristique de la présente invention est que l'alliage selon l'invention contient 0,5 à 2,5 ,0 de silicium ajouté au manganèse, ou au manganèse et au zinc, qui sont normalement présents dans les alliages ordinaires au magnésium. Conformément à la présente invention, le silicium est ajouté à l'alliage de fonderie au magnésium Al-Kn ou à l'alliage au magnésium Al-iJln-Zn, de façon que des eutectiques du système binaire Mg-Si, ou des eutectiques du système pseudo-binaire Mg2Si-Al soient présents dans les alliages selon l'invention pour ameliorer la fluidité du métal en fusion et sa capacité de moulage. Ainsi, la teneur en silicium accrue provoque la précipitation des eutecti que s, ce qui fait qu'on obtient une meilleure fluidité du métal en fusion. Mais une teneur excessive en silicium provoque une formation trop importante de cristaux de silicium, et par suite l'allia- ge au magnésium devient-très cassant.Pour cette raison la teneur en silicium est limitée, dans la présente invention, à 0,5 d'après les résultats des essais de flexion semblables à ceux qui sont utilisés pour déterminer la teneur en aluminium. La teneur en silicium dans le présent alliage au magnésium a été fixée comme dit ci-dessus. Cependant, dans les cas où il est exigé une grande résistance à la traction, une grande résistance élastique et une grande dureté, une teneur en aluminium plus élevée est souhaitable. Par exemple, il est indiqué d'ajouter du silicium à un alliage au magnésium contenant 8 à 10 % d'aluminium, 0,5 à 1,5 ;o de zinc, 0,1 à 0,5 p de manganèse afin d'obtenir une résistance à la traction élevée, une grande dureté et un fort allcngement. Dans ce cas, l'étendue à préférer de la teneur-en silicium est de 1,0 à 1,-5 s0 et le silicium est ajouté soit séparément, soit sous forme d'alliage Al-Si. En ce qui concerne la teneur en manganèse de alliage selon l'invention, cette teneur est fixée à 0,1 - 0, 5 4s parce que le manganèse ne peut pas être présent en quantités supérieures à 0,5 % dans les alliages contenant de ltaluminium et du magnésium, et qu'une petite quantité de manganèse est nécessaire pour réduire le fer, qui est un composant nuisible, afin d'améliorer la résistance à la corrosion. L'alliage selon l'invention peut contenir du zinc, quand il est exigé des propriétés mécaniques, en particulier une grande résistance à la traction. L'étendue à préférer de la teneur en zinc est de 0,3 à 3,0 %. Dans l'alliage selon l'invention, comme la solution solide 9 et le MglrP112 précipitent simultanément pendant le moulage, le retrait est moindre, comparativement au cas où la solution solide a seule précipite à partir de la phase liquide, et ainsi les gouttes très chaudes sont évitées. En outre, d'après les résultats des essais de fluidité, l'alliage selon l'invention présente une amélioration de la fluidité du métal en fusion de plus de 20 %, comparativement à un alliage habituel, par exemple l'alliage AZ 91, et une amélioration de l'imperméabilité sous la pression en proportion de la microporosité réduite. Ainsi il est facile de mouler en coquille des formes compliquées exigeant une étroite tolérance dimensionnelle et des pièces moulées ayant une excellente imperméabilité sous la pression et une bonne apparence. De plus, les pièces en rebut, dues à la mauvaise fluidité du métal en fusion, sont considérablement réduites. D'autre part, quand la teneur en aluminium de l'alliage est augmentée conformément à la présente invention, le point de fusion s'abaisse jusqu'à 5500 - 5900CI de sorte que la fusion et la coulée des alliages au magnésium peuvent se faire aisément. L'alliage selon l'invention peut contenir en outre un ou plusieurs éléments choisis parmi le groupe composé de Be (gel), Ca, Ba, Sn, P,- Sb, Na, Se et des éléments de terre rare. Des exemples de l'alliage selon la présente invention et les résultats de divers essais sont indiqués dans ce qui suit, avec référence au dessin dans lequel : la figure 1 est une vue en plan d'un moule pour l'essai de fluidité du métal en fusion; la figure 2 est un diagramme montrant la relation entre la distance d'écoulement du métal en fusion (en millimètres) et la vitesse du piston, exprimée en mètres/seconde. A. Essai des propriétés mécaniques. Des pièces d'essai deASTS E-8 ont été moulées en utilisant une machine de 250 tonnes pour moulage en coquille dans les conditions suivantes Vitesse du piston ............................... 2,0 m/sec. Vitesse du métal en fusion au jet de coulée ..... 5,0 m/sec. Pression de moulage ............................. 700 bars Température du métal en fusion .................. 6900 + 100C Cycle de poussée ................................ 30 secondes Température du moule ............................ 180 - 2100C Les résultats d'essais de propriétés mécaniques d'un alliage de comparaison (ASTM AZ 91) et des alliages selon la présente invention sont donnés au tableau 1. Tableau 1 Comparaison des propriétés mécaniques Compositions chimiques (en S0) Propriétés mécaniques Al Zn Si Mn Mg Résis- Résis- Allon- Dureté tance à tance gement la élasti trac- que tion 2 kg/mm2 kg/mm' Vo Hv Alliage de comparaison 9,2 0,7 0 0,2 solde 22,7 14,9 2,6 65,6 be selon I 'inven- tion (1) 8,8 0 1,3 0,3 solde 24,8 16,5 3,0 73,1 Alliage selon 1 'inven- tion (2) 12,0 0 1,3 0,2 solde 26,8 19,1 1,7 83,7 Alliage selon 1 'inven- tion (3) 9,0 0,9 1,3 0,2 solde 25,2 16,7 3,0 76,0 Alliage selon 1 rinven tion (4) 11,0 0,7 1,3 0,2 solde 27,0 19,3 1,8 84,0 D'après les résultats que montre le tableau 1, on voit que la résistance à la traction, la résistance élastique et la dureté sont accrues par l'addition de silicium. L'addition de silicium provoque la précipitation d'eutectiques et réduit la phase pâteuse, améliorant ainsi la fluidité du métal en fusion et sa capacité de moulage, en même temps qu'une imperméabilité sous la pression et une résistance à l'usure accrues peuvent être obtenues. Enfin, comme le montrent les résultats donnés par les alliages selon l'invention (2) et (4), on obtient, en augmentant la teneur en aluminium, une résistance à la traction, une résistance élastique et une dureté encore améliorées. B. Essai de fluidité du métal en fusion0 Des pièces d'essai ont été moulées dans les mêmes conditions de pression de moulage, température du métal en fusion, cycle de poussée et température du moule que dans le cas du moulage précédent de pièces d'essai ASTM E-8 en utilisant une machine à mouler de 250 tonnes pour moulage en coquille, et le moule 11 représenté à la figure 1. Le moule 11 est muni d'un évidement profilé en zig-zag 12 de 10 mm de largeur et 3 mm de profondeur, la partie centrale 13 ayant au total une longueur d'environ 1000 mm. La fluidité du métal fondu est donnée par la distance, dans la partie centrale 13, entre le point A et un point jusqu'où le métal fondu coule et starrête. Pour la préparation des pièces d'essai, 30 coulées de rebut ont été coulées pour stabiliser autant que possible les conditions de coulée; ensuite dix pièces ont été prises au hasard, et la fluidité du métal fondu a été donnée par la distance d'écoulement moyenne de ces pièces d'essai. La figure 2 montre les résultats des essais de fluidité avec différentes vitesses de piston d'une machine à mouler en coquille. A la figure 2, la marque (cercle blanc) représente les résultats de l'alliage comparatif (AZ 91), la marque (triangle blanc) représente les résultats de l'alliage de l'invention (1), la marque (triangle noir) représente les résultats de l'alliage de l'invention (2), la marque (carré blanc) représente les résultats de l'alliage de l'invention (3), et la marque (carré noir) représente les résultats de l'alliage de l'invention (4). La composition chimique de ces alliages est indiquée au tableau 1. Le tableau 2 montre les résultats des essais de fluidité avec différentes vitesses de piston. Au tableau 2, la fluidité est indiquée par la distance d'écoulement en millimètres et apparait vis-à-vis de la fluidité, prise comme étant 100, de l'alliage de comparaison figurant entre parenthèses. La composition chimique des alliages est indiquée au tableau 1. Tableau 2 Comparaison de fluidité Vitesse du piston, Alliaen m/sec. AllingeK 0,60 0,94 1,20 1,43 Alliage de compa raison (AZ 91) 490(100) 569(100) o55(100) 788(100) Alliage selon l'invention (1) ó90(140,8) 820(144,1) 860(131,3) 960(121,8) Alliage selon l'invention (2) 730(149,9) 830(145,9) 882(134,7) 980(124,4) Alliage selon l'invention (3) 695(141,8) 779(136,9) 854(130,4) 956(121,3) Alliage selon l'invention (4) 726(148,2) 819(143,9) 876(133,7) 980(124,4) Comme on le voit par les résultats d'essais ci-dessus, les alliages selon l'invention présentent dans la fluidité du métal en fusion une amélioration de plus de 20 ,0, comparativement aux alliages habituels.Et il est ainsi confirmé que la fluidité du métal en fusion est améliorée par l'addition accrue de silicium ou par l'addition accrue de silicium et d'aluminium. C. Essai de résistance à la corrosion. Des pièces d'essai de l'alliage ordinaire AZ 91 et des alliages de l'invention 1 et 2 ont été immergées dans une solution à 3 % de sel, où elles sont restées pendant des périodes différentes de trois, sept et vingt-huit jours, pour comparer leur résistance à la corrosion. Les résultats n'ont montré aucune différence marquée dans la résistance à la corrosion. On constate ainsi que l'alliage selon la présente invention n'est pas inférieur à l'alliage habituel AZ 91 relativement à la résistance à la corrosion. Comme on peut le constater d'après les résultats des essais A, B et C, l'alliage au magnésium suivant la présente invention donne une meilleure fluidité du métal en fusion, des propriétés mécaniques améliorées et une résistance à la corrosion similaire comparativement aux alliages de fonderie au magnésium habituels. Et quand l'alliage selon l'invention est utilisé pour la production de réeljes pièces moulées en coquille, comme ltépaiEseur de paroi de pièces telles est plus mince que l'épaisseur de paroi des ièces ctessai utilisées dans l'essai A, des effets de refroidisserment (de trempe) plus prononcés que dans essai A sont produits, et par suite des propriétés mécaniques encore améliorées sont obtenues, et il est possible de mouler des pièces ayant une imperméa bilité sous la pré selon et une résistance à l'usure encore meil leurres, avec une meil3 eure capacité de moulage. REVENDI CAT IONS 1 - Alliage de fonderie au magnésium comprenant 6 à 15 % d'aluminium, 0,1 à 0,5 % de manganèse, 0,5 à 2,5 50 de silicium, le solde étant du magnésium et les impuretés inévitables. 2- Alliage de fonderie au magnésium comprenant 6 à 15 % d'aluminium, 0,1 à 0,5 50 de manganèse, 0,5 à 2,5 %? de silicium, 0,3 à 3,0 % de zinc, le solde étant du magnésium et les impuretés inévitables.