Brevet FR2480791A1 — publié le 19811023

La présente invention se rapporte à des alliages d'aluminium résistant à la chaleur et très résistants mécaniquement, d'une coulabilité, d'une tenacité et d'une resîstan- ce thermique très élevées. Avec la pén8tration récente des matières à base d'aluminium dans différents domaines de l'industrie, comprenant la fabrication des véhicules et de l'outillage, on désire fortement mettre au point des alliages d'aluminium présentant un degré élevé de ténacité et de résistance thermique. On connait des alliages d'aluminium très résistants se composant essentiellement d'aluminium, de cuivre et de magnésium destinés au moulage, par exemple les alliages ALCOA X149 et ESCO KO-1 mis au point aux Etats-Unis d'Amérique. Bien que ce soient des alliages très tenaces pré sentant une résistance à la traction dtau moins 40 icg/mm et un allongement d'environ 5 à 10 % lorsqu'ils subissent un traitement T6, ils ont des perspectives d'utilisation très limitées, du fait qu'ils sont susceptibles de se briser à chaud ou de mal couler pendant le moulage et que leur résistance thermique est faible. On connait également des alliages de pétrissage dtaluminium très résistants, comme Al-Cu-Mg, Al-Cu-Ng-Zn et Al-Zn-Mg. Bien que ces alliages aient une résistance à la traction bien supérieure à 40 kg/mm2 si le traitement thermique de précipitation a été effectué après forgeage, ils manquent disavantageusement de résistance thermique, et sont très susceptibles de se fissurer sous l'effet de la corrosion.Par ailleurs, on connait des alliages Al-Si-Cu-Mg présentant une résistance mécanique et une résistance thermique relativement élevies,des alliages AA 332 pour moulage des alliages AA 4032 pour produit forgé, etc. (AA=Aluminium Association Standard). Le cuivre augmente la résistance de ces alliages, mais s'ils renferment 3 % de cuivre ou plus, leur ténacité présente une réduction marquée. Par conséquent, il y a des limitations à la proportion de cuivre que ces alliages peuvent renfermer. Les alliages qui sont pratiquement utilisés ont une résistance maximale de l'ordre de 35 kg/mm seulement, après avoir subi le traitement T6. On ne peut guère les appeler alliages très résistants. Les Demandeurs ont fait des recherches pour mettre au point des alliages d'aluminium très résistants ayant une coulabilité, une ténacité et une résistance thermique supérieures. De ce fait, ils ont trouvé que, si des alliages Al Si-Cu-Mg renferment plus d'environ 3 p de cuivre, l'addition dtantimoine améliore considérablement la résistance de ltalliage et sa résistance thermique, notamment sa résistance aux chocs thermiques, du fait que la trempe d'un tel alliage est favorisée pendant le vieillissement. En conséquence, la présente invention préconise un alliage d'aluminium indétrempable très résistant renfer mant plus de 6 Vo, mais pas plus de 13 , et de préférence plus de 7 %, mais pas plus de il tfo de silicium ; plus de 3 oh mais pas plus de 6 du et de préférence, plus de 3,5 Vo mais pas plus de 5,5 s de cuivre ; plus de 0,2 Vo mais pas plus de 1 ç et, de préférence, plus de 0,25 ffi mais pas plus de 0,6 X de magnésium, et plus de 0,03 % mais pas plus de 1 , et de préférence, plus de 0,10 o,oI mais pas plus de 0,60 X d'antimoine, le solde étant représenté par de l'aluminium et des impuretés. En conséquence, l'invention a pour objet un alliage d'aluminium de grande coulabilité, permettant le moulage par différents procédés, de grande ouvrabilité, permettant une déformation plastique appropriée des moulages comme le forgeage ou le laminage, etc. et se pretant à la production en série. L'invention a également pour objet un alliage d'aluminium économique ne demandant qu'une très faible durée pour un traitement thermique de précipitation, par rapport à tout alliage connu de ce type. D'autres caractéristiques, objets et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre d1un exemple non limitatif de l'agencement et de la structure des composants, en regard du dessin annexé dont La figure 1 est une représentation graphique des variations des propriétés mécaniques des alliages selon lliu- vention et d'alliages de comparaison, en fonction de la proportion de cuivre qu'ils renferment La figure 2 est une représentation graphique des variations de dureté des alliages en fonction de la durée de vieillissement artificiel La figure 3 est une représentation graphique comparant la résistance à la fatigue thermique des agents.; L'alliage selon l'invention a la composition chimique qui va être décrite ci-après. Le silicium est un élément essentiel pour améliorer la résistance et la coulabilité de l'alliage. Une proportion de silicium inférieure à 6 % est insuffisante pour améliorer la coulabilité de l'alliage, tandis qu'une proportion supérieure à 13 Vo de celui-ci est indésirable, du fait qu'elle réduit fortement la ténacité et la résistance à la fatigue thermique de l'alliage. Au mieux, l'alliage doit renfermer entre 7 Vo et 11 fi de silicium. Le cuivre améliore la résistance de l'alliage, lorsqu'on le fait vieillir artificiellement. Une proportion de cuivre inférieure à 3 Vo inhibe les effets de l'antimoine pour favoriser le vieillissement, comme on lue décrira plus loin, tandis que la présence de cuivre au-delà de 6 Vo est- pratiquement indésirable, du fait que son résidu augmente dans la phase-mère du composé intermétallique Al-Cu qui doit encore former une solution solide, ce qui réduit la ténacité et la résistance à la fatigue de l'alliage et le rend plus susceptible de se fissurer à la coulée. Au mieux, l'alliage doit renfermer entre 3,5 p et 5,5 vu de cuivre. Le magnésium augmente la résistance de l'alliage en formant des précipités comme Mg2Si, lorsque l'on fait vieillir l'alliage artificiellement. Toute proportion de magnésium inférieure à 0,2 /0 est cependant insuffisante pour la formation de ces précipités, tandis que sa présence au-delà de 1 9o a des effets fâcheux sérieux sur l'allongement et la résistance à l'impact de l'alliage. Au mieux, l'alliage doit renfermer entre 0,25 o,6 et 0,6 Vo de magnésium. L'antimoine est très efficace pour améliorer la résistance de l'alliage du fait qu'il favorise le vieillissement de l'alliage par le cuivre, lorsque l'alliage renferme plus de 3 c; de cuivre (voir exemple 1, figure 1 et exemple 2, figure 2). L'antimoine améliore efficacement la résistance aux chocs thermiques de l'alliage également. Une proportion d'antimoine ne dépassant pas 0,03 Vo ne donne pas de résultats satisfaisants, tandis qu'une proportion supérieure à 1 tió ne produit pas de variation appréciable des résultats obtenus. Au mieux, l'alliage doit renfermer entre 0,10 f/o et 0,60 Vo d'antimoine. Pour augmenter la résistance thermique de l'alliage, il est efficace d'ajouter au plus 1,5 yó de Mn, au plus 1,0 Cr et au plus 2,5 Vo de Ni, comme on les a utilisés jusqu'à présent pour augmenter la résistance de ce type d'alliage à une température élevée. il convient également, pendant la coulée de l'alliage selon l'invention, d'ajouter au plus 0,3 Vo de titane, au plus 0,05 io de bore ou d'autres éléments pour affiner le grain de l'alliage, comme on l'a fait classiquement. L'addition de titane est particulièrement utile, du fait qu'il sert à améliorer le retrait éventuel du moulage formé à partir de l'alliage. Selon ltinvention, il est également possible d'ajouter au plus 0,05 % de béryllium pour empocher l'oxydation éventuelle pouvant avoir lieu lors de ltaddition de magnésium. On peut admettre environ 1,5 zoo de fer ou moins, qui peut stincorporer dans l'alliage en tant qu'impuretés, du fait qu'il n1 inhibe pas notablement l'effet de l'invention. On va décrire à présent l'invention en se référant à plusieurs exemples non limitatifs qui montrent les différentes propriétés excellentes de l'alliage selon l'invention. Bien que les exemples suivants présentent les différentes propriétés de l'alliage séparément, il est bien entendu, clair que tous les alliages selon l'invention présentent également toutes les propriétés mises en évidence par les exemples. Exemple 1. La figure 1 indique les résultats des essais effectués pour déterminer les influences que l'addition d'antimoine pourrait avoir sur les propriétés mécaniques des alliages soumis au traitement de vieillissement. On effectue les essais sur des alliages Al-Si-Cu-DSg renfermant 9 Vo de silicium et 0,5 Vo de magnésium, dont certains renferment en outre 0,15 6xi d'antimoine, tandis que le reste ne renferme pas d'antimoine, en modifiant la proportion de cuivre qui y est contenue. Sur le graphe, les axes des ordonnées indiquent la résistance à la traction et l'allongement des alliages, tandis que l'axe des abscisses représente la proportion de cuivre. On prépare les échantillons d'essai par forgeage.On traite les échantillons thermiquement en solution 10 heures, on les refroidit dans l'eau et on les fait vieillir artificiellement à 2O00C pendant une heure. Comme le montre la figure 1, les alliages ne renfermant pas d'antimoine présentent une augmentation de résistance à la traction avec une augmentation de la proportion de cuivre qu'ils renferment, tandis que l'allongement diminue fortement sur les alliages renfermant plus de 3 e/ de cuivre. Les alliages renfermant de l'antimoine présentent un allongemment nettement amélioré lorsqu'ils renferment une proportion de cuivre relativement faible, par rapport à ceux qui ne renferment pas d'antimoine, mais leur résistance est relativement faible. Les alliages ne renfermant pas d'antimoine et plus de 3 50 de cuivre présentent une amélioration, à la fois d'allongement et de résistance à la traction, par rapport à ceux qui ne renferment pas d'antimoine et, en particulier, ils ont une résistance encore croissante lorsque la proportion de cuivre augmente au-delà de 3 p. il ressort donc clairement des résultats de ces essais que l'antimoine favorise le vieillissement des alliages renfermant plus de 3 p, de cuivre, ce qui améliore leur résistance et leur allongement. Exemple 2. La figure 2 indique les résultats des essais effectués pour vérifier l'effet que l'antimoine doit avoir dans l'amélioration du vieillissement des alliages selon l'invention. On effectue les essais sur des échantillons de Al-Si Cu-Mg renfermant 10 Vo de silicium, 4 ,4 de cuivre et 0,4 Vo de magnésium (préparés par forgeage) dent certains renferment 0,2 Vo d'antimoine, tandis que le reste ne renferme pas d1an- timoine.On traite les échantillons thermiquement en solution à 52O0C pendant 10 heures, on lesrefroidit dans liteau et on les fait vieillir artificiellement à une température de 18O0C. On mesure la dureté de chaque échantillon de temps en temps pendant le traitement de vieillissement. Sur le graphe, l'axe des ordonnées représente la dureté Brinell (H3) des alliages, tandis que l'axe des abscisses indique le temps. Comme il ressort des résultats des essais indiqués sur la figure 2, l'addition d'antimoine aux alliages renfer mant plus de 3 % de cuivre favorise remarquablement leur vieillissement par rapport à ceux qui ne renferment pas d'antimoine En d'autres termes, l'addition d'antimoine non seulement contribue à améliorer la résistance des alliages, mais elle permet également d'obtenir des alliages très résistants par un traitement thermique de très courte durée. On remarquera, par exemple, sur la figure 2 que la résistance que les échantillons de comparaison ne renfermant pas d'antimoine acquièrent au bout de 8 à 12 heures de vieillissement pourrait être obtenue en une heure environ seulement, selon l'invention. Cela implique un grand avantage pour l'économie d'énergie thermique. Exemple 3. On se réfère à présent aux résultats des essais effectués pour comparer les propriétés mécaniques des alliages selon l'invention et les alliages Al-Si-Cu-Mg qui ont été antérieurement d'usage courant. Le tableau 1 indique la composition chimique de chacun des alliages selon l'invention, et le tableau 2 énumère les propriétés mécaniques présentées par ces alliages. Sur les tableaux, les échantillons nO 1 à 7 se rapportent aux alliages selon l'invention et, parmi eux, on prépare l'échan- tillon nO 7 par forgeage. Les échantillons nO 8 et 9 sont typiques des alliages Al-Si-Cu-Mg qui ont été antérieurement dtusage courant. On prépare 1' échantillon nO 7 en imbibant un lingot cylindrique de 100 de diamètre et 300 mm de long deux heures, et en le refoulant avec un rapport do forgeage de 1 : 9 à une température de 4200C à 4500C. On obtient un produit forgé fin sans fissuration. Comme le montre le tableau 2, les échantillons n 1 à 7 des alliages selon l'invention ont une résistance à la traction d'environ 45 kg/mm ou plus, et un allongement supérieur à 2 C/o', tandis que les échantillons des alliages connus présentent une résistance à la traction de l'ordre de 35 kg/mm seulement et un allongement inférieur à 1 C/o, Comme il ressort du tableau, les alliages selon l'invention présentent un très grand degré de ténacité et, en particulier, les échantillons n 3 à 5 présentent un degré de résistance considérablement élevé, malgré leur vieillissement sur une très courte période (c'est-à-dire une heure à 2000C)L TABLEAU 1. Composition chimique ( e, en poids) Ech. Si Cu Mg Sb Ti Mn Ni Cr 1 7,2 3,8 0,35 0,10 0,1 - - - (1) 2 9,1 4,2 0,45 0,15 0,1 - - 3 11,3 4,5 0,40 0,15 0,1 - - 4 9,1 4,2 0,44 0,30 0,1 0,7 - n 5 9,1 4,8 0,45 0,45 0,1 - 1,0 - 6 9,0 4,1 0,48 0,30 0,1 - - 0,7 " 7 9,3 5,0 0,46 0,15 0,1 - - - (1),(2) 8 12,1 1,0 1,10 - 0,1 - 1,8 - (3) 9 9,6 2,9 1,21 - 0,1 - 0,9 - (4) Remarques = Ech. = Echantillon n (1) = Selon la présente invention (2) = Forgé (3) = AC8A (4) = AC8B Le solde est représenté par Al et des impuretés. Exemple 4. La figure 3 indique les résultats des essais de fatigue thermique effectués pour prouver la supériorité de la résistance thermique des alliages selon l'invention. On effectue les essais sur des échantillons préparés en forgeant l'alliage selon l'invention renfermant 9,5 5,o de Si, 4,2 ego de Cu, 0,5 C,o de }t et 0,15 % de Sb, et des échantillons de comparaison de la même composition, mais ne renfermant pas d'antimoine, après les avoir traité thermiquement en solution à 5000C pendant 10 heures, refroidi dans l'eau et vieillis à 1700C pendant dix heures. Chaque échantillon se présente sous la forme d'un disque d'un diamètre de 100 mm et d'une épaisseur de 3 mm,et il comporte en son centre un trou d'un diamètre de 5 mm. On chauffe l'échantillon avec un brûleur à gaz à un rythme rapide et, lorsque la température de l'ensemble de 1'échan- tillon a atteint 3500C, on le refroidit dans liteau à environ 20 C. On répète le cycle de chauffage rapide et de refroidissement jusqu'à ce que la contrainte thermique provoquée par la contrainte interne de 1'échantillon fasse apparattre une fissuration au bord du trou central. On enregistre le nombre de cycles répétés avant l'apparition de la fissuration et la vitesse de croissance de la fissuration pour comparer la résistance à la fatigue thermique des alliages. Comme le montre la figure 3, l'alliage selon l'invent ion commence à se fissurer après la répétition de beaucoup plus de cycles de chauffage rapide et de refroidissement que dans le cas de l'alliage de comparaison et, par ailleurs, la fissuration croit beaucoup plus lentement, dans l'alliage selon l'invention. Ces résultats prouvent la supériorité de la résistance à-la fatigue thermique des alliages selon l'invention. il ressort clairement de la description précédente que l'invention procure des alliages d'aluminium ayant une ténacité et une résistance thermique supérieures, qui conviennent pour fabriquer les pièces mécaniques de transport, notamment les pistons, les poulies et les paliers, très facilement et avantageusement, Les alliages selon ltinvention sont également très importants du point de vue de l'économie d'énergie thermique, du fait qu'ils permettent une réduction considérable du temps nécessaire pour le vieillissement. Ainsi l'invention a une valeur industrielle considérable. Il va de soi que l'on peut apporter à la description précédente et au dessin annexé de nombreuses modifications de détail sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. - Alliage à base d'aluminium résistant à la chaleur et très résistant mécaniquement, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement entre 6 et 13% en poids de silicium, entre 3 et 6% en poids de cuivre, entre 0,2% et 1% en poids de magnésium et entre 0,03% et 1% en poids d'antimoine. 2. - Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins l'un des éléments suivants, dans les proportions suivantes : 1,5% en poids au plus de manganèse, 1,0% en poids au plus de chrome, 2,5% en poids au plus de nickel et 0,3% en poids au plus de titane 3. - Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il renferme plus de 7% mais pas plus de 11% en poids dudit silicium. 4. - Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il renferme plus de 3,5% mais pas plus de 5,5% en poids dudit cuivre. 5. - Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il renferme plus de 0,25% mais pas plus de 0,6% en poids dudit magnésium. 6. - Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il renferme plus de 0,10% mais pas plus de 0,60% en poids dudit antimoine. 7. - Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il renferme au plus 0,05% en poids de bore. 8. - Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il renferme au plus 0,05% en poids de béryllium. 9. - Alliage d'aluminium résistant à la chaleur et très résistant mécaniquement, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement plus de 7% mais pas plus de 11% en poids de silicium, plus de 3,5% mais pas plus de 5,5% en poids de cuivre, pîsu de 0,25% mais pas plus de 0,6% en poids de magnésium, et plus de 0,10% mais pas plus de 0,60% en poids d'antimoine, le solde étant représenté par de l'aluminium et des impuretés. 10. - Alliage d'aluminium résistant à la chaleur et très résistant mécaniquement, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement plus de 6% mais pas plus de 13% en poids de silicium, plus de 3% mais pas plus de 6% en poids de cuivre, plus de 0,2% mais pas plus de 1% en poids de magnésium, plus de 0,03% mais pas plus de 1% en poids d'antimoine, et au moins un élément choisi parmi les suivants et dans les proportions suivantes 1,5% en poids au plus de manganèse 1,0% en poids au plus de chrome 2,5% en poids au plus de nickel 0,3% en poids au plus de titane, le solde étant représenté par de l'aluminium et des impuretés.