Brevet FR2524908A1 — publié le 19831014

-1- PRCTDE DE FABRICATICN DE PIBCES ? R Ir CEES OU FOW D S EN ALLILES D'ALLINIUM L'invention se rapporte à un procédé de fabrication de pièces matri- cées ou forgées en alliages d'aluminium à haute résistance, en par- ticulier ceux correspondant aux séries 2000, 6000 et 7000) de l'Alu- minium Association. La technique courante de fabrication de pièces forgées ou matricées en alliages d'Al à haute résistance comprend les étapes suivantes 1 Produit de départ: Métal coulé par le procédé classique de coulée semi-continue. 2 Homgénéisation: Ce traitement consiste à maintenir pendant des temps assez longs ( 4 à 48 h) l'alliage à une temrature élevée ( 490 OC à 620 C, suivant les alliages) Ce traitement est générale- ment nécessaire, d'une part, pour conférer au métal une plasticité suffisante pour sa transformation à chaud ultérieure et, d'autre part, pour obtenir sur les produits finis des caractéristiques ' d'utilisation correctes. 3 Pefroidisserent a la temérature ambiante. 4 Réchauffage à la température de matriçage: Ce réchauffage consiste à amener le métal à la termpérature à laquelle il peut être déformé plastiquement. Opération de déformation à chaud proprement dite: Cette opération est réalisée couramment par forgeage et matriçage. 6 Refroidissement de la pièce à la température ambiante. 7 Traitement thermique: Dans le cas des alliages d'aluminium à haute résistance faisant l'objet de la présente demande, un traitement thermique est nécessaire pour obtenir un durcissement structural. Ce traitement ccrporte les phases ci-après: 7.1: mise en solution solide de l'alliage (dont la température et la durée sont fonction de la nature de l'alliage); 7 2: trempe, c'est-à-dire massage de la température de mise en solution à la terpérature ambiante à une vitesse suffisante (supérieure à la vitesse dite critique) pour obtenir, à la température ambiante, la solution solide à l'état métasta- ble; -2- 7.3: précipitation de la (ou des) phase(s) durcissante(s) a) soit par saturation à la température ambiante, b) soit par traitement de revenu. Cette gamme n'est pas adaptée à la production en grande série de piè- ces par suite de la multiplicité des étapes et de 1 ' incocratibilité de certaines d'entre elles, en particulier en ce qui concerne la du- rée relative des différentes opérations. Cependant, l'existence de presses rapides de matriçage ou de forgeage à un ou plusieurs postes de travail et, dans ce dernier cas, trans- fert automatique de la pièce en cours de déformation d'un poste à l'autre, permet d'appliquer la méthode suivante, objet de l'invention, pour la production en grande série sur lignes continues automatisées. Si on part de lopins coulés, après homogénéisation à la température T 1, ceux-ci sont refroidis à la température de déformation T 2 (si T 1 $ T 2) à une vitesse de refroidissement accélérée, puis immédia- tement déformés à chaud et trempés directerent à la fin de cette çpç- ration. Si on Dart de lopins d'alliages homogénéisés et précorroyés ou d'al- liages ne nécessitant pas d'haomogênéisation préalable, la méthode est sensiblement identioue sauf que le réchauffage avant déformation se fait aux texmpératures t 3 et pendant des temps hab Iituellement ut L Lisés pour la mise en solution classicque avant trempe (au lieu de la tqpérature V). La température T 1 est la température habituelle d'homogénéisation des alliages considérés en en trouvera, par exemple, une liste dans l'ouvrage "ALUMINIU I" de VAN HOPN, ASM 1967, volume III, pacge 325, pour différents alliages La durée du maintien à cette temrérature doit être suffisante pour permettre la mise en solution solide des principaux éléments d'alliage. La temperature T 2 est la température à laquelle a lieu le début de la mise en forme Cette températuretest choisie de telle façon nue l'alliage considéré présente une plasticité ou aptitude à la mise en forme suffisante pour l'obtention de la pièce à réaliser Durant la -3- déformation, cette température peut d'ailleurs évoluer en fonction de. l'importance de cette déformation, de la vitesse de déformation, de la te:rérature des outillages et de la nature de l'alliage et at- teindre la valeur T'2. La température T 3 est la température de mise en solution de l'allia- ge; on en trouvera par exemple une liste dans l'ouvrage de VAN HORN déjà cité, p 332 et suivantes. Le refroidissement entre la température T 1 d'homogénéisation (ou la température T 3 de mrise en solution) et la température T 2 de début de déformation doit être effectué dans un temps aussi bref que possible. Le refroidissement accéléré entre T 1 (ou T 3) et T 2 est obtenu, de pré- férence, par refroidissement du lopin par l'airpulsé ou un brouillard. D'une façon générale, la vitesse moyenne de refroidissement entre la température d'homogénéisation T 1 ou de mise en solution T 3 et la temn- pérature ambiante doit être suffisante (supérieure à la vitesse cri- tique de trempe) pour assurer de bonnes caractéristiques à la pièce finale Il est habituel, pour les alliages d'aluminium à durcisse- ment structural des séries 2000, 6000 et 7000, d'utiliser cette no- tion de vitesse critique de trempe qui dépend essentiellement de la composition de l'alliage et de sa microstructure, en particulier dans l'intervalle critique de trempe, aussi variable suivant la nature de l'alliage; cet intervalle critique est généralement ccpris entre la température de mise en solution et une température voisine de 200- 250 C et se situe particulièrement entre 400 et 290 C La vitesse cri- tique de trempe peut être définie co:te la vitesse moyenne de refroi- dissement qu'il est nécessaire de dépasser dans l'intervalle critique pour éviter une précipitation grossière, préjudiciable pour les ca- ractéristiques finales. La vitesse moyenne de refroidissement de la pièce entre la fin de la déformation à chaud (T'2) et l'ambiante (en pratique 200 C) doit être supérieure à la vitesse critique de trempe de l'alliage, et ceci en particulier dans l'intervalle critique de trempe Cette condition de -4- refroidi senment permet d'éviter la déccaosition de la solution soli- de et, par suite, la précipitation des composés durcissants, précipi- tation oui peut se révéler préjudiciable pour les caractéristiques du produit et, en particulier, la résistance mécanioue et la résistance à la corrosion. En fait, le cycle de refroidissement peut être défini par utilisatlon des courbes TTP (temps, terpérature, propriétés) Ces courbes, carac- téristiques d'un alliage donné, rémsentent une allure en C IL est alors nécessaire que la courbe qui donne le cycle de refroidissement dupro- duit soit toujours située à gauche du (ou des) nez de la (oudes) cour- be(s) ITP relative (s) à la (aux) propriété (s) considérée (s). La vitesse critique de trempe des alliages d'aluniniun dépendde lana- ture de l'alliage, de samicrostructure, mais égalementdelapropriété finale considérée Par exe Mple, pour les alliages des séries 2000 et 7000 avec cuivre, la vitesse critique de trempe est coprise entre 20 C et "C/s si l'cn considère uniquement les caractéristiques mécanicues de traction, mais elle peut dépasser 100 C/s si l'on considère la résis- tance à la corrosion interranulaire (par exemple 150 C/s pour l'alli- age 7075 T 6 et 500 C/s pour l'alliage 2024 T 4) Pour les alliages 7000, sans cuivre, la vitesse critique de trempe est beaucoup plus faible ( 0,5 à 1 C/s pour l'alliage 7020, par exemple) Pour les alliages 6000, la vitesse critique de trempe varie entre 1 et 10 OC/s (par exeple 1 C/9 pour l'alliage 6063 et 10 C/s pour l'alliage 6061). L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures et exemples sui- vants: La figure 1 représente schématiquement la gamme de transformation classique suivant l'art antérieur, de lopins coulés à partir du point ( 1) cycle A ou de lopins hcogénéisés et précorroyés à partir du point ( 1 ') cycle B -, les étapes étant répertoriées dans la premiè- re partie de la description (voir page 1). La figure 2 a représente schémnatiauement la gamne de fabrication sui- vant l'invention, à partir de lo Dins coulés cycle C et la figure 2 b, de lopins hcmogénéisés et précorrovés cycle D -. La figure 3 représente la position de deux cycles de fabrication (C 1 et C 2) vis-à-vis des courbes TTP ( 10 ou 11). Les exemples suivants illustrent les résultats obtenus: EXEPLE 1 Alliaoe 6060 Composition: (% en poids)- Si: 0,40 ig: 0,50 Fe: 0,18 Mn $ 0,01 Cr 450 C À trempe à l'eau revenu: 8 h à 175 C, 24 h après trempe Les caractéristiques obtenues sur les pièces matricées ont été: -6- les caractéristiques obtenues sur métal transformé suivant 1 ' inven- U.on sant au iroins identiques, sinon supérieures à celles du rétal témroin DE 2 Z 4 KE 2 Alliacae 6061 (% en poids> Carwooition Si 0,60 Mg 1, 05 Cui 0,25 Cr 0,20 Fe 0, 19 mna, 0,01 Ti 0,02 Des billettes coulées au diamètre de 60 mri, de même ccumosition, ont subi respectivemnt chacun des cycles après: cle A (classique) ha O Egénéisation:6 hà 5900 C *refroidisserent à la teirpérature ambiante à l'air calmoe *réchauffage à 5000 C matriçage * refroidissent à l'air * mise en solution: 1 h à 5400 C * trerpe à l'eau revenu 24 haprès trerpe:8 h à 11750 C Cycle C (suivant l'invention) ò horrogénéisation:6 h à 5800 C ò refroidissemrent à l'air soufflé:de 580 'C à 500 'C ò matriçage:(teir Térature des outillages 4500 C) -7- trempe à l'eau revenu 24 h après trerrpe: 8 hà Durant ce cycle, la vitesse rmoyenne de trempe a vitesse critique de trempe de l'alliage oui est seconde. C été supérieure à la de l'ordre de 10 C/ Les caractéristiques obtenues sur les pièces matricées sont: Ici également, les caractéristiaues à celles obtenues suivant cycle A ' suivant cycle C sont supérieures EX 4 PLE 3 'Alliaqe 2017 Ccmposition (% en poids) Cu:3, 85 Mg: 0,61 Mn:0,54 Si:0,35 Fe: 0,41 Cr A 277 310 13,6 C 282 321 15,5 -8- * refrtoidisserent à là ternérature ambiante à l'air cal ie * nase en solution 1 h à 4950 C * trerrpe à l'eau * maturation à la teitpérature ambiante. -Cvcle C (suivant invention) * hamogénéisation 8 h à 49001 C * refroidissement, à l'air soufflé de 490 'C à 4 o O 'C * matriç ge en ue frapp (température des outilliages 4100 C) txeme à l'eau froide aussitôt après matriçage * I Taturation à la teurkrature a T Tbiante Duirant oe cycle, la vitesse ruyenne de refroidissement entre 4500 C et 2500 C a étê supérieure à 200 C/seoende Les caractéristiques cttenues sur les pièces I Tatricées sont ) EOCEZ 4 E 4 Alliages Al-Zn Mg Quatre alliages ont été exn 6 Ar-irent 6 s. Coevosithion (% en poids>. Alliage A-Z 5 Gi,8 A-Z 5 G IA-Z 4 Gl,5 IA-Z 3 G 2 (d&xncrination AA)( 7003) ( 7020) ( 7005) I( 7051) Zn 5,06 4,71 4,1 3,59 Mg 0,76 1,20 1,35 2, 10 Mnfr 0,15 0,08 0,22 0,12 Cr 0,18 0,25 0,18 0,22 Zr 0,12 0,12 Fe I 0,23 0,24 0,23 0,22 si f 0,07 0,07 0,07 0,07 Ti 0,04 0,04 0,04 -0,04 -9- Pour chacun des alliages, des billettes de diamètre 190 mm ont été obtenues par coulée semi-continue. Ces billettes ont été homogénéisées 6 h à 480 C, refroidies à l'air réchauffées à 420 C par forgeage en deux chaudes: première chaude: étirage des billettes sous fonrme de barre carrée x 50 un deuxième chaude: mise sous forme d'octogone de 50 min. Apres tronçonnage de lopins de volures capables de transformation sous forme de bielles, le cycle D a été appliqué, à savoir: mise en solution matriçage en une passe s forme de bielle à 450 C trempe à l'eau froide soit maturation soit revenu Les caractéristiques mécaniques : 1 h 15 mn à 450 OC :(température des outillages 420 C) : 125 jours à la température ambiante : 4 U 10 C + 24 h 130 C obtenues sont les suivantes: ETAT MURI ETAT REVENU RD,2 _ _m _ A RO,2 Rn A IM Pa M Pa % l Pa M Pa % A-ZSG 0,8 210 330 19 305 335 19 A-Z 5 G 250 370 20 350 390 19 A-Z 4 G 1,5 210 335 21 325 370 20 A-Z 3 G 2 240 380 22 i 340 400 20 Ces caractéristiques sont conformes à celles obtenues courarment sur m Nmes alliages d'une façcn traditionnelle cycle B. Il faut rerarquer que ces alliaages Al-Zn-Mg sont particulièrement adaptés au procédé revendiqué parce que présentant: un grand intervalle de température de mise en solution ( 360 C- 550 C au moins) une vitesse criticue de trempe faible (de l'ordre de, 5-2 C/se- OCW. -10 REVENDICATIONS 1 Méthode de fabrication de pièces matricées ou forgées en alliage d'alumninium à haute résistance comprenant le réchauffage de lopins à une temérature T 1 (ou T 3), la déformation à chaud à une temérature initiale T 2 après la défoxaation à chaud. 2 Méthode selon revendication 1, caractérisée en ce que le refroi- dissement entre T 1 (ou T 3) et T 2 est effectué par air pulsé ou par rouilad. 3 Méthode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les lopins coulés sont portés à une température T 1 équivalente à celle de l'hoengénéisation de l'alliage considéré. 4 Mét Lhode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les lopins coulés ou horogénéisés et précorrovés, sont portés à une température T 3 équivalente à celle de la rmise en solution de l'alliage considéré. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en oe que la vitesse moyenne de treimpe entre 400 C et 2900 C est supérieure à la vitesse critique de trempe de l'alliage considéré. 6 Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en oe que la vitesse moyenne de trempe entre la fin de la déformation à chaud (T'2) et 200 C est supérieure à la vitesse critique de trempe de l'al- liage considéré. 7 Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la vitesse moyenne de refroidissement entre la fin de la période de réchauffage à la température TI (ou T 3) et 200 C est supérieure à la vitesse critique de trempe de l'alliage considéré. 8 léthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce -11- que le cycle de fabrication eorpris entre la fin du réchauffage des lapins T 1 ou T 3 et la fin de la treme est situé entièrement, sur un diagramme température termps, dans la z 6 ne antérieure à la (ou aux) courbe(s) TTP de l'alliae considéré.