Brevet FR2323771A1 — publié le 19770408

l'invention est relative aux pièces moulées en alliage hypoeutectique aluminium-silicium au magnésium. Elle concerne plus particulièrement un traitement thermique destiné à améliorer llusi- nabilité desdites pièces et surtout leur stabilité dimensionnelle durant leur usinage ou leur utilisation, notamment lorsqutelles doivent être exposées pendant de longues durées à des températures sensiblement supérieures à la température ambiante. L'invention concerne en outre la microstructure conférée auxdites pièces par ledit traitement thermique.Elle présente un intérêt particulier pour la réalisation d'éléments de construction de machines tournantes de dimensions relativement grandes dans lesquelles,. pour des raisons de rendement et d'étanchéité, les valeurs des jeux entre organes fixes et organes tournants doivent être aussi réduites que possible. On rappelle que les alliages dont il est ici question comportent essentiellement en proportions pondérales exprimées en pour cent, les éléments suivants - silicium : 6 à I ii - magnésium : 0,25 à 0,60 - aluminium et impuretés communément admises (fer, manga nèse, etc...) : reste. Ces alliages peuvent comporter, en vue d'affiner le grain de coulée, de faibles additions de titane ou de bore. On peut aussi leur appliquer avant coulée un traitement de modification du genre connu, consistant en 1 t introduction dans le bain de faibles quantités de sodium ou de phosphore, afin d'affiner et de régulariser la microstructure des plages d'eutectique. On sait en effet que la structure de solidification desdits alliages montre à la température ambiante - d une part des dendrites de solution solide alpha très riche en aluminium et dans lesquelles du silicium et du siliciure de magnésium (Mg2Si) sont présents pour partie à ltétat dissous et pour partie à l'état dispersé, - d'autre part, des plages de cément eutectique aluminiumsilicium. On sait aussi que lesdits alliages se prêtent à la réalisation par moulage au sable - en général avec utilisation de refroidisseurs - de pièces épaisses de formes complexes et aux dimensions relativement grandes. Leur composition assure en effet un compromis entre des caractéristiques plus ou moins antagonistes, telles aucune bonne coulabilité et une faible propension à la retassure, aux microporosités, au criquage à la solidification. Les traitements thermiques du genre connu applicables auxdits alliages peuvent être classés en deux catégories, à savoir - des traitements de durcissement structural, visant essentiellement à augmenter la résistance mécanique par dissolution de la phase dispersée Mg2Si présente dans la solution solide alpha après solidification et par reprécipitation de ladite phase ; un mode opératoire courant consiste à chauffer les pièces une douzaine d'heures à 535 i 50C, à les tremper à l'eau et à les chauffer quelques heures à 1600C ; - dès traitements de détensionnement par relaxation à chaud des contraintes résiduelles engendrées par l'anisotropie du refroidissement dans le moule ; un mode opératoire courant consiste à chauffer les pièces pendant 7 à 9 heures à 2259C puis à les refroidir à l'eau ; à lteffet de relaxation s'ajoute alors un effet de faible durcissement structural par précipitation d'une fraction du Mg2Si dissous en sursaturation dans la phase alpha. I1 existe cependant des cas où les traitements thermiques de détensionnement du genre connu ne peuvent garantir une stabilité dimensionnelle suffisante, tant au cours de l'usinage qu'au cours de l'utilisation. Certaines pièces d'un encombrement relativement important - par exemple de l'ordre du mètre - doivent en effet conserver des dimensions rigoureusement constantes même lorsqutelles sont exposées pendant de longues durées - très supérieures par exemple à une centaine de milliers d'heures - à des températures comprises entre 100 et 1500C. Il stagit par exemple de carters de compresseurs rotatifs dans lesquels le jeu entre organes statoriques et organes rotoriques est très réduit, la moindre déformation risquant alors de provoquer des érosions ou des ruptures d organes. L'invention a pour objet - un traitement thermique de détensionnement conférant aux pieces moulées en alliage hypoeutectique aluminium-silicum au magnésium qui lui sont soumises une stabilité dimensionnelle meilleure que celle obtenue à l'aide des traitements de détensionnement de l'art antérieur, notamment lorsque lesdites pièces ont des dimensions relativement importantes et sont exposées en cours d'utilisation à des températures de 100 à 1500C pendant de longues durées, ledit traitement favorisant en outre l'usinabilité desdites pièces, - des pièces moulées en alliage hypoeutectique aluminiumsilicium au magnésium dont la microstructure obtenue au moyen du traitement thermique de l'invention leur confère une stabilité dimensionnelle améliorée, notamment dans les conditions d'utilisation précitées, ainsi qu'une meilleure usinabilité. Le traitement thermique de détensionnement de l'invention est caractérisé en ce qu'41 comprend deux phases de chauffage, consécutives ou non, à savoir une première phase assurant un maintien à une température comprise entre 300 et 3400C, pendant 4 à 8 heures, et une deuxième phase assurant un maintien à une température comprise entre 210 et 2400C pendant 6 à 10 heures. Dans la plupart des cas, la première phase est avantageusement conduite à 3200C pendant 6 heures et la deuxième à 2250C pendant 8 heures. Les pièces moulées en alliage hypoeutectique aluminiumsilicium au magnésium conformes à l'invention sont caractérisées en ce que le silicium présent dans les dendrites à l'état de phase dispersée affecte une forme nodulaire. Les alliages moulés auxquels s'applique le traitement de l'Invention ou constituant les pièces selon l'invention peuvent comporter, à la manière connue, un élément affinant tel que le titane ou le bore et peuvent faire l'objet à la coulée d'un traitement de modification du genre connu par introduction dans le bain de sodium ou de phosphore. Les effets bénéfiques du traitement de l'invention et de la microstructure qu'il permet d'obtenir seront mieux compris à la lecture des explications qui suivent et qui se réfèrent aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un diagramme, - les figures 2, 3 et 4 sont des schémas de microstructures telles qu'elles apparaissent au microscope électronique, sous un grossissement linéaire d'environ 15.000. Au cours d'études visant à rechercher les causes pour lesquelles les traitements thermiques de détensionnement du genre connu laissent subsister des risques de déformation à l'usinage et surtout lors d'une utilisation prolongée à chaud, lesdites études comprenant en particulier des essais dilatomé-triques et des examens au microscope électronique, les inventeurs ont constaté - que des échantillons bruts de coulée d'alliage de la classe AFNOR AS7G sont affectés, par rapport à des échantillons d'alunsium pur pris comme références, d'une expansion dilatométrique qui débute vers 2000C, atteint son maximum vers 3200C et se résorbe vers 500 C, la courbe dilatométrique rejoignant alors celle de lxaluminium pur.Les autres alliaffles hypoeutectiques aluminiumsilicium au magnésium, tels que l'AS6Gv se comportent de façon quasi identique - que l'expansion constatée semble essentiellement due à la précipitation dans la matrice dendritique du silicium dissous en sursaturation à l'état brut de coulée à la température ambiante. On comprend alors pourquoi les traitements thermiques de détensionnement de l'art antérieur laissent subsister des risques de déformation. Un simple séjour de quelques heures à une température voisine de 2250C non seulement rassure pas une re laxation intégrale des contraintes résiduelles de solidification mais encore ne suffit pas à réaliser la précipitation totale du silicium en sursaturation dans la matrice dendritique. Cette précipitation risque donc de se poursuivre en cours d'utilisation, notamment lorsqu'elle est favorisée par une exposition prolongée à des températures supérieures à la température ambiante. L'expansion qui en est la conséquence peut provoquer des déformations d'autant plus préjudiciables que les pièces qui en sont l'objet ont des dimensions plus importantes et que les jeux autorisés sont plus réduits. La figure 1 est un diagramme d'un exemple de traitement selon l'invention appliqué à l'alliage AS7G. En abcisses sont portées les durées de chauffage et en ordonnées les températures. La phase I consiste en un maintien de 3 heures à 3200C et la phase II en un maintien de 4 heures à 2250C. Les durées de montée en température et de refroidissement à l'air peuvent être négligées du moment qu'elles sont faibles par rapport aux durées de chauffage. Ainsi que le montre le diagramme, les deux phases peuvent être soit séparées par une phase intermédiaire de refroidissement et de chauffage soit consécutives (segment en trait interrompu) et conduites dans le même four. Les figures 2, 3 et 4 sont des schémas établis d'après des microphotographies électroniques, au grossissement 15.000, d'une zone d'une plage dendritique d'échantillons dlAS7G affin au titane et modifié au sodium. La figure 2 est relative à un échantillon ayant subi un traitement thermique de détensionnement de l'art antérieur (maintien de 6 heures à 2250C), la figure 3 à un échantillon soumis à la phase I du traitement de la figure 1 et la figure 4 à un échantillon soumis aux deux phases dudit traitement. La figure 2 montre sur un fond A de solution solide alpha des lattes S1 de silicium dont les axes sont orientés selon les axes de solidifiction de la dendrite et des nodules M1 qui sont vraisemblablement constitués par du Mg2Si très dispersé. Dans la figure 3, le silicium de sursaturation est précipité en nodules S2 conservant des traces de l'orientation axiale primaire et dont la plus grande dimension est de l'ordre d'une fraction de micromètre et peut atteindre exceptionnellement un micromètre. Une partie du Mg2Si en sursaturation (de tordre de 70,0) est précipitée et coalescée sous forme de nodules M2 sensiblement plus grands que ceux de la figure 1.Dans la figure 4, la configuration des nodules S2 de silicium est pratiquement inchangée mais les nodules M2 sont sensiblement plus nombreux que dans la figure 3 ce qui montre que, dans la deuxième phase du traitement selon l'invention, le reliquat de Mg2Si de la matrice dendritique est dispersé et coalescé. Au cours de séries d'essais sur des éprouvettes en alliage AS7G affiné au titane et modifié au sodium, on a constaté que le traitement de détensionnement de la figure 1 permet de garantir les valeurs minimales suivantes : - charge de rupture R en N.mm-2 : 140 - limite élastique E à 0,2% en N.mm-2 : 80 - allongement A en % pour d = 5,65 + : 2 On rappelle que la normalisation française en vigueur fixe pour un meme alliage ayant subi le traitement de détensionnement de l'art antérieur R : 160, E : 120, A% : 2. En fait, l'abaissement constaté pour R et E n'a aucune importance pour des pièces dont les épaisseurs sont déterminées uniquement par des conditions de rigidité. On a en outre observé que le traitement de l'invention donne des résultats d'essais mécaniques sensiblement moins dispersés que ceux des traitements de l'art antérieur, vraisemblablement parce que la microstructure obtenue dépend moins des conditions de refroidissement à la solidification après coulée. On a vérifié expérimentalement que les pièces traitées conformément à l'invention sont beaucoup plus stables en cours d'usinage et en cours de fonctionnement à chaud que les pièces traitées conformément à 1 t art antérieur. Ces résultats avantageux peuvent Btre attribues au fait que le traitement thermique de l'invention confère par précipitation ou coalescence une forme nodulaire aux constituants qui étaient avant traitement en équilibre métastable. Cette forme nodulaire, ctest-à-dire quasi-sphérique, ne peut être sensiblement modifiée par une utilisation prolongée à chaud puisqu'elle correspond au minimum d'énergie libre. On a en outre constaté expérimentalement que l'usinabilité des pièces ainsi traitées est sensiblement améliorée. Ce ré sultan est vraisemblablement dû lui aussi à la forme nodulaire du silicium précipité. On a enfin vérifié que le traitement de l'invention convient tout à fait aux alliages hypoeutectiques aluminium-silicium au magnésium non modifiés. Cette application présente un intérêt évident pour le détensionnement de pièces massives. On sait en effet que l'on évite souvent de soumettre le bain de coulée de ces pièces au traitement de modification, du fait que celui-ci favorise l'apparition de microporosités nuisibles à l'allongement de rupture. D'une manière générale, l'invention s'applique, en raison de leur similitude de structure, à tous les alliages moulés hypoeutectiques aluminium-silicium au magnésium, outils comportent ou non un élément d'addition affinant et qu'ils aient fait ou non l'objet d'un traitement de modification à la coulée. REVENDICATIONS 1. Traitement thermique de stabilisation dimensionnelle de pièces moulées, notamment de pièces de dimensions importantes coulées au sable, en alliage hypoeutectique aluminium-silicium au magnésium, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux phases, à savoir une première phase de maintien à une température comprise entre 300 et 3400C pendant une durée de 4 à 8 heures et une deuxième phase de maintien à une température comprise entre 210 et 2400C pendant une durée de 6 à 10 heures. 2. Traitement thermique selon la revendication I, caractérisé en ce que la première phase est constituée par un maintien à 3200C pendant 6 heures et la deuxième phase par un maintien à 2250C pendant 8 heures. 3. Traitement thermique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les deux phases sont consécutives et conduites dans le même four, le passage de la première à la deuxième phase étant assuré par abaissement de la température du four. 4. Traitement thermique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les deux phases sont séparées par une phase intermédiaire de refroidissement et de réchauffage. 5. Pièce moulée en alliage hypoeutectique aluminiumsilicium au magnésium, caractérisée en ce qu'elle a fait ltobjet après coulée d'un traitement thermique selon l'une quelconque des revendications I à 4. 6. Pièce moulée selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'alliage comporte, en teneurs pondérales globales exprimées en pour cent - silicium : 6 à 11 - magnésium: 0,25 à 0,60 7. Pièce moulée selon la revendication 6, caractérisée en ce que alliage comporte en outre du titane ou du bore. 8. Pièce moulée selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisée en ce que alliage appartient à la classe AFNOR AS7G. 9. Pièce moulée selon llune quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que l'alliage a subi préalablement à la coulée un traitement de modification du genre connu par introduction dans le bain de coulée de sodium ou de phosphore. 10. Pièce moulée en alliage hypoeutectique aluminiumsilicium au magnésium, ledit alliage étant constitué par des dendrites de solution solide alpha aluminium-silicium contenant des particules de silicium et de siliciure de magnésium et par des plages de cément eutectique aluminium-silicium, ladite pièce étant caractérisée en ce que les particules de silicium présentes dans les dendrites sont des nodules. 11. Pièce moulée selon la revendication 10, caractérisée en ce que la moyenne de la plus grande dimension des nodules est inférieure à un micromètre. 12. Pièce moulée selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que la teneur globale pondérale en silicium de l'alliage est de 6 à 11% et la teneur globale pondérale en magnésium de 0 > 25 à o,60%. 13. Pièce moulée selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'alliage comporte en outre du titane à une teneur pondérale globale de 0105 à 0,20%. 14. Organe de machine tournante conforme à l'une quelconque des revendications 10 à 13.