Brevet FR2504154A1 — publié le 19821022

-1 PROCEDE D'AFFINAGE DU SILICIU Ml PRIMAIRE DES ALUMINIUM-SILICIUM HYPEPR Er ECTIQUES La présente invention est relative à un procédé d'affinage du silicium primaire des alliages aluminium-silicium hypereutectiques. L'honme de l'art sait que l'on classe les alliages aluminium-silicium en trois groupes suivant leur teneur en élément d'addition Les allia- ges contenant environ 12,5 % en poids de Si sont dits eutectiques; ceux qui en renferment une quantité inférieure ou supérieure à cette valeur sont qualifiés respectivement d'hypo ou d'hypereutectiques. Dans le cas présent, ne sont considérés que les alliages hypereutecti- ques qui, lors de leur élaboration, donnent successivement,en se re- froidissant,une phase solide contenant essentiellement des cristaux de silicium primaire puis I'eutectique aluminium-silicium. De tels alliages trowuvent leur application en particulier lors de la fabrication par moulage de chemises de moteurs à combustion interne, car une telle structure de cristaux de silicium primaire durs noyés dans une matrice eutectique plus tendre est particulièrement apte à former une surface présentant des microporosités favorables à la ré- tention des lubrifiants et au comportement au frottement Mais, il faut cependant, pour obtenir des résultats convenables, que ces cristaux aient des dimensions ne dépassant pas 100 mn. Or, cette exigence est Difficile à respecter sur les pièces de fonde- rie surtout lorsqu'elles sont de taille importante. C'est pourquoi, on est amené, lors de l'élaboration de ces alliages, à ajouter des éléments ou des composés dits "affinants" qui multiplient dans le métal liquide le nombre de centres de germination et condui- sent, au cours du refroidissement, à la formation de cristaux de peti- tes dimensions. De nombreux agents d'affinage ont été décrits dans la littérature Tou- tefois, on ne peut les utiliser indifféremment car chacun d'entre eux -2- a un effet spécifique. Si certains ont une action sur les cristaux de silicium primaire, d'autres, au contraire, n'agissent que sur les cristaux de si- licium de l'eutectique Il en est mêeme qui peuvent provoquer un grossissement des cristaux de l'une des phases en même temps qu'ils affinent les cristaux de l'autre. S.T CIIU, dans son article "The effect of various elements on the modi- fication of Al-Si Alloys" paru dans le revue METALLKUNDE n 57 de ?Mi 1966, a montré la spécificité deces éléments et, notamment, dans le ta- bleau 4 à la page 399, il donne une liste d'éléments avec leurs concen- trations qui sont susceptibles d'affiner les cristaux de silicium pri- maire;, On y trouve le chrome, le molybdène, le manganèse, le tungstène, le phosphore, le soufre, l'iode, le cuivre, l'argent, le zinc, l'étain, le plomb, le nickel, le cadmium, le mercure. On peut lire aussi dans cet article à la page 396, sur le tableau 2, que le magnésium ajouté à un alliage hypereutectique contrairement à tous les éléments cités plus haut a pour effet de grossir les cristaux de silicium primaire et d'âffiner les cristaux eutectiques. Or, la demanderesse, dans une étude approfondie de l'affinage des al- liages hypereutectiques, notamment par le phosphore, a constaté avec surprise qu'un ajout de mgnésium à de tels alliages déjà affinés, n'avait pas pour effet de réduire cet affinage, mais, au contraire, de l'amplifier; ce qui va à l'encontre de l'enseignement donné par (MIU. De plus, elle a remarqué que l'action d'affinage complémentaire était fugace, c'est-à-dire qu'elle disparaissait progressivement dans le temps et qu'il fallait donc ajouter ce magnésium peu de temps avant la coulée pour bénéficier au maximum de son effet. Ainsi, la présente invention est-elle relative à un procédé d'affinage du silicium primaire d'alliages aluminium-silicium hypereutectiques ayant subi un pré-affinage par un produit à base de phosphore, carac- térisé en ce que l'on ajoute à cet alliage un produit à base de magné- 4 C 54 -3- sium immédiatement avant de le couler L'alliage étant préparé de maniè- re classique et affiné par ajout de 50 à 1000 ppm de phosphore ou d'une quantité correspondante de l'un de ses dérivés, on y ajoute donc du ma- gnésium Ce dernier peut être à l'état élémentaire ou d'alliages-mères aluminium-magnésium et sous forme de tournures, de poudre ou même de morceaux massifs de dimensions compatibles avec une vitesse de dissolu- tion suffisamment grande. La quantité utilisée est telle qu'elle permet d'atteindre, dans l'allia- ge final, une teneur en magnésium de 500 ppm mais, dans le cas de l'éla- boration d'alliages contenant du magnésium dans leur composition, on peut ajouter la quantité nécessaire pour atteindre la teneur souhaitée. L'ajout s'effectue à un moment le plus voisin possible de celui de la coulée et entout cas, moins de 30 minutes avant la solidification, car, au-delà de ce laps de temps, l'effet d'affinage s'estompe et devient pratiquement nul De préférence, l'ajout se fait moins de cinq minutes avant la coulée pour être dans les conditions optima d'affinage. On peut ainsi obtenir une réduction de moitié environ de la taille des cristaux de silicium primaire par rapport à celle qui est obtenue en présence de phosphore seulement. On peut également, pour une taille de cristaux souhaités, réduire la quantité de phosphore nécessaire à un tel affinage et la compenser par une quantité de magnésium Celà a pour avantage de réduire la consom- mation en ce métalloïde et de diminuer les quantités présentes dans les fours d'élaboration. L'invention peut être illustrée au moyen des exemples suivants EXEMPLE 1 A partir d'un bain métallique d'A 517 ultra pur, contenant quelques di- zaines de ppm de phosphore, et à une température de 7650 C, on a prélevé un échantillon que l'on a solidifié en 13 secondes Ce dernier présen- tait, à l'examendes cristaux de silicium primaire d'une taille moyenne voisine de 50 Vm. C 4 1 54 -4- On a alors ajouté au même bain 0,1 % de magnésium puis, deux minutes après l'introduction, on a prélevé, solidifié et examiné dans les mêmes conditions que précédemment, un nouvel échantillon: la taille des cris- taux était alors passée à 25 Am Les mêmes opérations ont été répétées une heure après l'introduction du magnésium et ont alors conduit à l'observation de cristaux de 40 im montrant ainsi la fugacité de l'effet de cet élément d'affinage. EXEMPLE 2 Un bain métallique d'A 517 a été partagé en trois volumes distincts aux- quels on a ajouté à chacun des quantités différentes de phosphore, com- prises entre 10 et 50 ppm On a prélevé sur chacun d'eux un échantillon que l'on a solidifié en treize secondes et dont on a examiné la struc- ture: la taille des cristaux de silicium primaire observée était: 20 - 40 60 pm. A chacun des volumes, on a ajouté 0,1 % Mg et, deux minutes après intro- duction de cet élément, on a procédé aux mêmes opérations que celles pratiquées sur l'alliage non traité par le magnésium La taille des grains était respectivement, pour chacun des échantillons: 11 19 - 32 rn. On constate ainsi que le magnésium a pour effet de diviser la taille des grains de silicium primaire par un facteur 2 environ. EXEMPLE 3 A partir d'un bain d'A 517 U 4 C, à une température de 780 C auquel on a ajouté du cuprophosphore à 15 % de phosphore, de manière à atteindre une teneur en phosphore de 700 ppm, on a prélevé une certaine quantité de liquide pour le couler sous forme d'éprouvettes de traction Après solidification, la taille des cristaux de silicium primaire observée sur ces éprouvettes dépassait 50 mn. Au bain restant, on a ajouté 0,6 % de magnésiim et nrélevé imnmédiate- ment, après introduction et fusion de ce dernier, d'autres éprouvettes; celles-ci présentaient, après solidification, une taille de grains de Pm confirmant ainsi le rôle du magnésium comme élément d'affinage. - La présente invention trouve son application dans l'affinage des allia- ges d'aluminium hypereutectiques et présente un grand intérêt, notam- ment lorsque ces alliages sont destinés à la fabrication de chemises de moteurs à combustion interne ou de tout autre pièce soumise à des frot- tements. REVENDICATIONS 1 / Procédé d'affinage du silicium primaire d'alliages d'aluminium- silicium hypereutectiques dans lequel on procède à un pré-affinage par un produit à base de phosphore, caractérisé en ce que l'on ajoute à cet alliage un produit à base de magnésium imnédiatement avant de le couler. 2 / Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le produit à base de magnésium est ajouté moins de trente minutes avant la coulée. 3 / Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la quantité de produit à base de magnésium ajoutée est telle qu'elle permet dat- teindre, dans l'alliage final, une teneur de magnésium de 500 O ppm au moins.