Brevet FR2515214A1 — publié le 19830429

Alliage d'aluminium pour moulage. La présente invention se rapporte à un alliage d'alu- minium destiné au moulage, d'une coulabilité, d'une solidi- té et d'une résistance à la chaleur, aux chocs thermiques et à la déformation permanente par la chaleur supérieures. On s'est mis depuis peu à utiliser l'aluminium pour une gamme d'applications étendue comprenant la fabrication de véhicules et de machines De ce fait, on a eu fortement besoin d'un alliage d'aluminium pour moulage, d'une solidité et d'une résistance à la chaleur supérieures. Les demandeurs sont parvenus à mettre au point un alliage pour moulage proposé antérieurement (appelé alliage antérieur dans la suite) de coulabilité, de solidité et de résistance à la chaleur supérieures, comme il a été divulgué dans la demande de brevet japonais publiée no 69234/1980 L'alliage antérieur renferme de 6 à 13 % de silicium, de 3 à 5 % de cuivre, de 0,2 à 1 % de magnésium et de 0,03 à 1 % d'antimoine, le complément consistant en aluminium et impuretés Il a une solidité ou résistance maxi- male atteignant 400 M/cm, et un allongement de 3 à 4 %, et sa résistance aux chocs thermiques est de loin supérieure à celle de tous les alliages classiquement connus de ce type(par exemple, norme industrielle japonaise pour les alliages de fonderie d'aluminium "AC 8 A" et "AC 8 B") Il convient donc pour être utilisé dans la fabrication d'une pièce de machine exposée de façon répétée à une chaleur intense, comme par exemple un piston dans un moteur. D'autres recherches des demandeurs ont cependant indiqué que l'alliage antérieur présente plusieurs défauts. Ils ont trouvé que, si un piston constitué par cet alliage est utilisé pendant une longue durée, une partie du piston qui a été exposée à la chaleur de façon répétée subit une contraction en volume permanente différente de celle qui se produit au cours de dilatations et contractions thermi- ques ordinaires, et que la contraction augmente le je-u entre le piston et le cylindre, ce qui entraîne un balayage des gaz ou un claquement de piston Par ailleurs, l'alliage est susceptible de subir une usure lamellaire, par exemple dans une rainure dans laquelle s'embolte un segment de piston, ce qui a pour effet que le segment ne fonctionne plus correctement. L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients de l'alliage décrit ci-dessus, tout en conservant ses excellentes propriétés, et de procurer ainsi un alliage d'aluminium convenant pour mouler des pièces de machine ne présentant pas de perturbations, même après avoir été longtemps exposées à la chaleur. Les demandeurs ont trouvé que l'addition à l'alliage antérieur de nickel dans une proportion de 0,1 à 0,5 % en poids et de cuivre et de magnésium dans un rapport en poids d'environ 3: I à 8: 1, est efficace pour empê- cher la contraction de volume précitée et améliorer la résistance à l'usure de l'alliage, sans provoquer d'amoindrissement notable de ses excellentes propriétés, y compris la solidité et la résistance aux chocs thermiques. Selon l'invention, on préconise ainsi un alliage d'aluminium pour moulage renfermant de 6 à 13 % en poids de silicium, de 2 à 5 % en poids de cuivre, de 0,25 à 1 % en poids de magnésium, de 0,1 à 0,5 % en poids de nickel et de 0,03 à 1 % en poids d'antimoine, le complément consis- tant en aluminium et en impuretés, le cuivre et le magné- sium étant présents dans une proportion en poids d'environ 3:1 à 8: 1. L'alliage selon l'invention a d'excellentes propriétés thermiques, y compris la résistance aux chocs thermiques et la résistance à l'usure lamellaire, et il est pratique- ment dépourvu de contraction de volume permanente, même après avoir été longtemps exposé à des températures élevées. Par conséquent, il convient pour être utilisé pour fabri- quer des pièces de machine devant être exposées à des températures élevées, par exemple un piston dans un moteur. Sur le dessin annexé: La figure 1 représente la variation de volume perma- nente (déformation permanente en microns en ordonnées) se produisant dans des moulages d'alliage après une longue période d'exposition à une température élevée, en fonction du rapport cuivre-magnésium (en abscisse), dans des alliages renfermant du nickel selon l'invention en (a), et des alliages dépourvus de nickel en (b); La figure 2 représente la relation entre le pour- centage en poids de nickel (en abscisses) dans les alliages selon l'invention et leur résistance à l'usure par effritement; La figure 3 compare un alliage selon l'invention (a), un alliage classique appelé par JIS (Normes Industrielles Japonaises) AC 8 A (c) et un alliage de comparaison (b), en ce qui concerne la résistance aux chocs thermiques (longueur de fissuration en mm, en ordonnées, nombre de cycles répétés en abscisses). Le silicium est un élément absolument nécessaire pour renforcer l'alliage, lui donner une bonne résistance à l'usure et améliorer sa coulabilité On ne peut s'atten- dre à profiter à plein des avantages de l'utilisation du silicium, en l'ajoutant dans une proportion inférieure ou égale à 6 %, tandis que l'utilisation d'une propor- tion de silicium égale ou supérieure à 13 % peut entraîner une réduction de la ténacité et de la résistance aux chocs thermiques de l'alliage. Le cuivre contribue à améliorer la solidité de l'al- liage par vieillissement artificiel Si cependant l'on utilise 2 % en poids de cuivre ou moins, il est impossible d'espérer une amélioration effective de la solidité de l'alliage, tandis qu'il faut éviter d'utiliser 5 % en poids de cuivre ou plus, du fait qu'une trop grande quantité de composé intermétallique formé entre l'aluminium et le cuivre, qui n'est pas sous la forme d'une solution solide, resterait probablement dans la matrice et provo- querait un amoindrissement de la ténacité et de l'endurance de l'alliage, et augmenterait la probabilité de fissura- tion des pièces moulées. Le magnésium contribue à améliorer la solidité de l'alliage, du fait qu'un composé intermétallique composé de magnésium et de silicium ou d'aluminîum, cuivre et magné- sium précipite par vieillissement artificiel Si cependant, on utilise seulement 0,25 % en poids ou moins de magnésium; cette précipitation peut n'avoir pas lieu dans une mesure suffisante, tandis qu'il faut aussi éviter d'utiliser plus de 1 % en poids de magnésium, du fait que cela provo- que une réduction considérable de la ténacité et de la résistance aux chocs thermiques de l'alliage, et nuit sérieusement à l'effet de l'antimoine sur la structure de l'alliage. L'antimoine améliore la structure de l'al- liage, ce qui augmente notablement sa résistance aux chocs thermiques L'utilisation de 0,03 % en poids ou moins est cependant insuffisante, et des proportions supérieures à 1 % ne peuvent améliorer corrélativement les résultats, Le nickel empêche toute contraction perma- nente appréciable de l'alliage lorsqu'il est exposé à une température élevée, et il améliore sa résistance à l'usure par effritement Une proportion seulement égale ou infé- rieure à 0,1 % en poids est cependant insuffisante, tandis que l'utilisation de 0,5 % en poids ou plus peut provoquer une réduction notable de la résistance aux chocs thermiques de l'alliage Le nickel présente son efficacité à empêcher toute contraction de ce type, lorsque le cuivre et le magnésium sont présents dans l'alliage dans un rapport en poids d'environ 3; 1 à 8: 1 I Si ce rapport n'est pas satisfait, l'utilisation de nickel peut s'avérer non entièrement efficace. L'alliage selon l'invention peut renfermer des impuretés comme le fer, le zinc, le vanadium et le chrome, dans les proportions en général présentes dans les matières premières à partir desquelles l'alliage est formé Il renferme aussi inévitablement de faibles propor- tions d'éléments comme le titane, le bore et le beryllium, en raison de son traitement en fusion au bain Ces impuretés n'ont pas d'effet fâcheux sur la qualité de l'alliage La présence de titane est même bénéfique, du fait qu'elle sert à améliorer le retrait des moulages éventuellement produits à partir de l'alliage. Pour améliorer la résistance thermique de l'alliage, il est efficace d'ajouter de 0,1 à 0,5 % en poids de zirconium et de 0,1 % à 1 % en poids de manganèse. On va décrire à présent l'invention avec davan- tage de détails sur les exemples non limitatifs qui sui- vent, qui démontrent les avantages remarquables de l Vin- vention. Exemple 1: Effets de la présence de nicke T et du cuivre/ magnésium sur la déformation permanente d'un moulage au cours d'une longue période d'exposition à la chaleur. On teste la déformation permanente à haute tempéra- ture de divers alliages d'aluminium de compositions différen- tes Ils renferment tous 11 % en poids de silicium, 0,15 % en poids d'antimoine, 2, 3 ou 4 % en poids de cuivre, et du magné- sium dans une quantité donnant un rapport en poids cuivre/ magnésium de 3:1,6:1 ou 9:1, Certains de ces alliages renfer- ment en plus du nickel, tandis que les autres n'en referment pas La figure 1 montre les résultats d'essai pour les moulage des alliages renfermant du nickel en a), et pour les moulages d'alliages dépourvus de nickel en b), On prépare les échantillons d'essai (éprouvettes) de chaque alliage en moulant dans un moule de forme bateau conforme aux spécifications de JIS pour un moule N O 4, en soumettant le moulage à un traitement thermique en solution (c'est-à-dire un traitement d'affinage o les composants de l'alliage passent en solution) à 500 'C pen- dant 10 heures, en le refroidissant ou trempant dans de l'eau, en lui faisant subir pendant huit heures un recuit à 2000 C, et en lui faisant subir un formage de précision le mettant sous la forme d'un barreau rond d'un diamètre de 200 mm et d'une longueur de 90 mm, On chauffe les échan- tillons à 350 'C pendant 50 heures en continu, puis on les refroidit à l'air, on examine leurs changements de dimen- sions sur leur longueur. Les alliages renfermant 2 % en poids de cuivre renferment 0,2 % en poids de nickel, tandis -que les autres alliages renferment 0,4 % en poids de nickel, Comme il ressort de la figure 1 (h), les échantil- lons des alliages ne renfermant pas de nickel subissent une contraction de volume, en raison des 50 heures de chauffage à 350 C, Cette tendance devient plus marquée, lorsque la teneur en cuivre de l'alliage augmente et que le rapport cuivre/magnésium y augmente, Cependant, le problème de cette déformation s'améliore considérablement dans les échantillons des alliages renfermant une quantité appro- priée de nickel selon l'invention, comme il ressort de la figure 1 (a). Exemple 2; propriété mécaniques. On compare les propriétés mécaniques des alliages selon l'invention avec celles d'un alliage classique ap- pelé AC 8 A,par JIS, et composé d'aluminium, de silicium, de cuivre, de magnésium et de nickel, L'analyse chimique de chaque alliage utilisé est indiquée sur le tableau 1, et ses propriétés mécaniques sur le tableau 2 que l'on trouvera plus loin Les échantillons I à 6 représentent l'alliage selon l'invention, L'échantillon 6 est un produit formé d'un moulage en forme de colonne d'un diamètre de mm et d'une longueur de 300 mm par réchauffage prolongé à 480 C pendant deux heures, et forgeage à une température de 420 à 450 C L'échantillon n 7 est en alliage AC 8 A classique. TABLEAU 1, Analyse chimique (% en poids). n Si Cu Mn Mg Sb Ti i 7,2 2,7 0,45 0,10 0,1 2 8,0 2,7 0,46 0,10 - 3 9,2 3,3 0,82 0,15 - 4 9,1 3,5 0,8 0,81 0,15 - 5 I 1,2 4,6 0,91 0,15 - 6 9,3 3,4 0,7 0,90 0,15 0,1 7 12,1 1,0 1710 0,1 TABLEAU 1 (SUITE) Zr Al compl. 0,3 " I 0,3 m i I Cu/Mg 6,0:1 ,7:1 4,0:1 ,0:1 3,8:1 0,9:1 Invention ni i. I, Il AC 8 A TABLEAU 2 Résistance à la traction (M Pa) 308,0 312,0 318,8 320,8 330,6 339,4 291,3 Limite élasti- que ' 0,2 % ( 11 Les) 255,0 273,7 292,3 294,3 310,0 300,2 283,5 Allongement (%) 4,6 4,1 3,8 3,3 3,1 ,0 0,7 TABLEAU 2 (SUITE Conditions de traitement thermique: Traitement thermique en solution/ trempe/vieillissement 500 C, 6 h/eau/200 C, 8 h I. I. Il 500 C, 1 h/eau/200 C, 8 h 500 C,10 h/eau/200 C, 8 h n 3 Ni 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 1,8 n 1 6 no 2 7 Dureté (Brinell) Comme il ressort du tableau 2, non seulement les alliages selon l'invention doivent être comparés à l'alliage classique en ce qui concerne la solidité, mais ils sont éga- lement bien supérieurs en ce qui concerne l'allongement et, par conséquent, la ténacité. Exemple 3: résistance à l'usure par effritement. L'objet de cet exemple est de vérifier la résistance d'une pièce de machine constituée par l'alliage selon l'inven- tion à l'usure lamellaire dans des circonstances o elle subit une contrainte de compression répétée à haute tempé- rature, par exemple,la résistance à l'usure par effritement d'un piston dans un moteur d'automobile. Les résultats de l'essai sont indiqués sur la figure 2 On maintient chaque échantillon d'essai à haute température, et on lui fait subir une contrainte de compres- sion répétée avec une charge maximale de 100 kg et une charge minimale de 10 kg avec une bille d'acier de 10 mm de dia- mètre, dans un appareil d'essai "FRICTOLON" (nom commercial, modèle EMPIII-B F-855) On mesure la profondeur du creux ainsi formé On effectue les essais à 3000 C, et l'on répète l'application de la force de compression à une fréquence de 2.700 cycles/minute. On prépare les échantillons dans des alliages d'aluminium de différentes compositions renfermant 9 % en poids de silicium, 3 % en poids de cuivre, 1 % en poids de magnésium, 0,15 % en poids d'antimoine et 0; 0,2; 0,5; 1, 0 ou 2,0 % de nickel par moulage dans un moule en forme de bateau N O 4 conforme à la JIS, six heures de traitement thermique en solution à 5000 C, trempe dans de l'eau, et huit heures de recuit à 2000 C. Comme il ressort de la figure 2, les échantil- lons présentent une réduction d'usure considérable lorsque l'alliage renferme environ 0,2 % en poids de nickel, et les échantillons préparés à partir des alliages renfermant 0,5 % en poids ou plus de nickel ne présentent qu'un faible degré d'usure qui est sensiblement constante aux différentes teneurs en nickel de l'alliage au-dessus d'environ 0,5 %, Ainsi, les résultats des essais enseignent qu'il suffit d'ajouter plus de 0,5 % en poids de nickel pour améliorer la résistance à l'usure par effritement de l'alliage. Exemple 4: résistance aux chocs thermiques, La figure 3 indique les résultats d'essais qui démontrent l'excellente résistance aux chocs thermiques de l'alliage selon l'invention, On effectue les essais Soaur comparer un alliage selon l'invention renfermant 9,2 % en poids de silicium, 3,3 % en poids de cuivre, 0,9 % en poids de magnésium, 0,15 % en poids d'antimoine et 0,41 % en poids de nickel, le complément étant constitué par de l'a- luminium et des impuretés; un alliage de comparaison renfer- mant 0,6 % en poids de nickel, et l'alliage classique correspondant à l'échantillon no 7 de l'exemple 2, On effec- tue les essais sur chaque alliage subissant six heures de traitement thermique en solution à 5000 C, trempé dans de l'eau et subissant huit heures de recuit à 200 'C, On prépare un échantillon d'essai à partir de cha- que alliage sous la forme d'un disque d'un diamètre de mm et d'une épaisseur de 3 mm, et comportant en son centre un trou de 5 mm de diamètre, On chauffe rapidement chaque échantillon en son centre au moyen d'un brûleur & gaz et, lorsque l'ensemble de l'échantillon a atteint une température de 3500 C, on le trempe immédiatement dans de l'eau d'une température d'environ 200 C, Lorsqu'on répète le cycle définit par ce chauffage et refroidissement rapide, on crée une contrainte thermique dans l'échantillon par contrainte interne, et l'échantillon commence à se fissu autour de son trou central On détermine le nombre de cycles qui ont été répétés lorsque cette fissuration apparaît et, lorsque la fissure a pris différentes longueurs, pour comparer les alliages en ce qui concerne la résistance aux chocs thermiques. Comme il ressort de la figure 3, l'alliage selon l'invention est de loin supérieur à l'alliage AC 8 A classique en ce qui concerne la résistance aux chocs thermiques, puis- que le premier commence à se fissurer au bout de beaucoup plus de cycles que le second, et que sa fissure croit à une vitesse bien inférieure (comparer les courbes a et c). La figure 3 indique également que l'addition de nickel dans une proportion supérieure à 0,5 % en poids entraîne une réduction considérable de la résistance aux chocs ther- miques de l'alliage (comparer la courbe b à la courbe a). REVENDICATIONS 1, Alliage d'aluminium pour moulage, caractérisé en ce qu'il contient de 6 à 13 % en poids de silicium, de 2 à 5 % en poids de cuivre, de 0,25 à 1 % en poids de magnésium, de 0,1 à 0,5 % en poids de nickel et de 0,03 à 1 % en poids d'antimoine, le complément étant constitué par de l'aluminium et des impuretés, le cuivre et le magné- sium étant présents dans un rapport en poids d'environ 3: 1 à 8: 1. 2 Alliage selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il contient en outre l'un au moins des constituants suivants: de 0,1 à 0,5 % en poids de zirconium et/ou de 0,1 a 1 % en poids de manganèse. 3 Alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient de 0,03 à 2,0 % en poids de titane.