Brevet FR2553015A1 — publié le 19850412

PIECE MECANIQUE EN POUDRE D'ALLIAGE D'ALUMINIUM ET PROCEDE D'OBTENTION La présente invention se rapporte à un procédé d'obten5 tion de pièces mécaniques réalisées à partir de poudres d'alliage d'aluminium et subissant une opération de forgeage. Les alliages d'aluminium présentent un intérêt en pièces mécaniques pour leur faible densité, leur meilleure usinabilité, leur meilleure conductivité thermique; par rapport aux techniques usuelles de forge et de fonderie, la métallurgie des poudres est susceptible d'apporter une réduction des pertes de matière entre la pièce brute et la pièce finie (réduction de la mise au mille de matière) et une diminution des frais d'usinage. Plusieurs voies sont possibles pour passer de la poudre 20 à la pièce mécanique; la plus simple jusqu'à maintenant consiste à utiliser les alliages sous forme de poudre d'aluminium mélangée à des poudres des éléments d'alliages par exemple cuivre, magnésium, silicium, zinc; ce procédé impose une étape de frittage, c'est25 à-dire un traitement à chaud qui donne sa cohésion à la pièce comprimée à froid. Le traitement est nécessaire car les particules d'aluminium sont recouvertes d'un film d'alumine d'environ 0,là 30 0,0 l m, adhérent, stable et difficilement réductible, donc inhibiteur de diffusion, et qui rend impossible le frittage en phase solide à l'air en four industriel; le frittage a pour rôle de former une phase liquide à partir des éléments métalliques; ainsi dans le cas des 35 alliages de la famille 2 000 (famille des alliages aluminium cuivre), la phase liquide eutectique se forme vers 550 C; le liquide mouille et dissout le film d'alumine, pénètre dans les fissures formées lors de la compression de la poudre et diffuse dans les particules 5 métalliques; ce procédé impose une température précise de traitement à + 3 "C près, les alliages ainsi obtenus ont une densité de 90 à 96 % de la densité théorique, avec des porosités et une hétérogénéité de la structure Les propriétés mécaniques obtenues pour un alliage 2014 d'après les fabricants de poudres sont les suivantes: Résistance à la rupture R = 330 M Pa limite élastique à 0,2 % RE 2 320 M a RE 0,2 = 320 M Pa Allongement en % A % = 2 % limite d'endurance 55 M Pa20 pour l'état traité T 6 (trempe à l'eau à 500 "C et revenu pendant 20 heures à 160 "C). L'atmosphère de frittage est un important paramètre du 25 procédé, Messieurs AMATO, CORSO et SGAMBETTERRA ont montré que le frittage dans l'azote pur était meilleur' que dans l'air; le frittage sous vide n'améliore pas les résultats par rapport à l'azote (revue "POWER METALLURGY" n 3 de 1976 page 171). 30 Ce procédé présente ainsi l'inconvénient d'obtenir une pièce mécanique avec des caractéristiques peu élevées et une densité finale faible De plus ce procédé nécessite un traitement thermique avec un réglage de tempé35 rature extrêmement précis. -3 Une amélioration importante des caractéristiques passe par la suppression des porosités; ceci peut être obtenu par forgeage à chaud des comprimés Messieurs K.E BUCHOVECKY et M R REARICK ont utilisé' la gamme 5 suivante: compression à froid de poudres mélangées, frittage avec azote, forgeage à différents taux de corroyage (ouvrage "FORGING OF POWDER METALLURGY PREFORM" de HAUSNER 1973 éditeur M P I F) Les résultats sont alors très améliorés et pour un taux de 10 corroyage moyen on atteint des résistances de 460 M Pa avec 4 % d'allongement Ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter encore un traitement thermique avec un réglage de température extrêmement précis. Un autre procédé consiste à partir d'une poudre préalliée, c'est-à-dire dans laquelle chaque grain de poudre est homogène en composition de l'alliage; la pellicule d'alumine subsiste alors et ne peut être éliminée puisqu'il n'est plus possible de fritter en pé20 sence d'une phase liquide; on est alors obligé de procéder à un encapsulage de la poudre avant le forgeage, puis ensuite d'éliminer la capsule; un fort corroyage brise les films d'alumine et permet aux grains de poudre de se souder; il est alors possible d'atteindre 25 des propriétés voisines de celle du métal laminé et forgé; cette technique reste relativement complexe, coûteuse et applicable seulement en petite série. Le procédé selon l'invention a pour but d'obtenir des 30 pièces mécaniques de caractéristiques élevées, par une voie simple et peu coûteuse, susceptible de fabrication en grande série. Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé 35 d'obtention de pièces mécaniques est réalisé à partir de poudres d'alliage d'aluminium Ledit procédé comprend les étapes ci-après: utilisation d'une poudre préalliée; compactage à froid d'une ébauche de forme simple pesée de l'ébauche automatique afin de contrôler que le poids de l'ébauche est à + 0,5 %; mise en température de ladite ébauche en atmosphère d'azote pur; forgeage en température en matrice fermée. 15 Selon un mode de réalisation de l'invention, la pièce mécanique en poudre d'alliage d'aluminium préalliée est caractérisée par la présence d'une matrice homogène d'alliage d'aluminium à très fine structure dont la 20 taille des grains est du même ordre de grandeur que celle des grains de poudre initiaux, et dont les interfaces sont marqués par un très fin réseau de précipités, ladite pièce ayant une densité égale à 100 % de la densité théorique, sans porosité résiduelle, et sans 25 précipitation grossière. Le procédé selon l'invention présente ainsi l'avantage d'obtenir des pièces mécaniques avec des caractéristiques élevées et une densité correcte De plus, le procédé mis en oeuvre selon l'invention offre l'avantage supplémentaire d'être peu coûteux et applicable pour la fabrication en très grande série. La structure la plus homogène est obtenue avec une 35 poudre préalliée; elle a aussi pour avantage par -5 rapport aux poudres mélangées d'éviter le mélangeage et de limiter la manipulation de poudres à l'addition éventuelle d'un lubrifiant de compactage. L'opération suivante, le compactage à froid, est effec5 tué sur presse industrielle pour obtenir une ébauche de densité modérée 2,0 à 2,5 de forme simple, donc de réalisation économique; la masse de poudre doit être précise à moins de 1 % près (c'est-à-dire à + 0,5 % du poids correct de l'ébauche), la pesée de l'ébauche est 10 effectuée automatiquement sur une balance en sortie de presse. La mise à température de l'ébauche est effectuée dans un four en atmosphère neutre (par exemple azote pur) à 15 point de rosée elle n'a pas besoin d'être précise. L'ébauche est enfin sortie rapidement du four et forgée 20 dans un délai inférieur à une dizaine de secondes en matrice fermée, sans bavure épaisse, ce qui est rendu possible par la précision de poids de l'ébauche; cette absence de bavures estun avantage du procédé, car elles constituent une perte de métal et leur formation impose 25 une pression de forgeage élevée sollicitant fortement la presse et constitue un facteur d'usure important de l'outillage La densification finale à 100 % sans porosité s'effectue en même temps que l'écoulement à l'état solide du métal dans l'empreinte; par ailleurs, 30 on a mesuré une résistance à la déformation des lopins forgés par le procédé de l'invention à partir de poudre, inférieure à celle des lopins forgés à partir de métal laminé. -6 Le produit obtenu est à 100 % de la densité théorique sans porosité résiduelle Il est caractérisé par une structure à matrice homogène très fine dont la taille des grains est du même ordre de grandeur que celle des grains de poudre initiaux, dans laquelle subsiste un fin réseau de précipités intergranulaires. Cette structure est présentée sur la reproduction micrographique au grossissement 500 de la figure 1. 10 Cette figure 1 concerne une pièce obtenue avec une poudre préalliée 2214 (A U 4 S G), forgée à 500 C et suivie d'un traitement T 6 (trempe à l'eau à 500 C et revenu pendant 20 heures à 160 C) Le réseau intergranulaire est très fin et apparent. 15 Les caractéristiques mécaniques des produits obtenus pour un taux de corroyage faible sont élevées (voir tableau ci-après) et on atteint même des tenues en fatigue en flexion rotative de 160 M Pa pour 10 cycles 20 à la température ambiante. Caractéristiques mécaniques de produit obtenues selon le procédé de l'invention pour l'alliage A U 4 S G: Granulo-I Densitél Tempéra Traite Dureté R IRE 0,2 A % métrie de l'ébauche compacté ture de forgeage C et durée ment HB 2,5/ 62,5 M Pa M Pa Mesnager da J/cm 2 Résilience l 15 20 25 T 6 123 443 380 7 fine 2,35 480 lh T 4 107 443 282 17,5 1,45 500 lh T 6 138 485 415 8 T 4 122 441 286 20 1,35 480 3 h T 6 129 455 390 5 T 4 106 453 290 18,7 1,10 Moyen 2,48 480 lh T 6 133 469 394 7 ne T 4 108 421 270 11,2 1,65 500 lh T 6 140 469 414 4 T 4 109 439 276 15 1,65 480 3 h T 6 137 422 410 2 T 4 106 439 280 13,7 1,25 L Les traitements thermiques T 4 et T 6 consistent: pour T 4: trempe à l'eau dant 4 jours; à 500 C et maturation pen- pour T 6: trempe à l'eau à 500 C et revenu pendant heures à 160 OC. 49398 1 1676 Une caractéristique de la rupture d'une éprouvette de traction représentée sur la figure 3 est l'absence de striction; la diminution de section étant répartie sur toute la longueur de l'éprouvette (traits en poin5 tillés de l'éprouvette), contrairement à une éprouvette de traction classique représentée sur la figure 2 avec une striction Ce phénomène inattendu caractérise le produit obtenu selon le procédé de l'invention. 49398 11676 -9 REVENDICATIONS 1 Procédé d'obtention de pièces mécaniques réalisées à partir de poudres d'alliage d'aluminium, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes ci-après: utilisation d'une poudre préalliée; compactage à froid d'une ébauche de forme simple; 10 pesée de l'ébauche automatique afin de contrôler que le poids de l'ébauche est à + 0,5 %; mise en température de ladite ébauche en atmosphère 15 d'azote pur; forgeage en température en matrice fermée. 2 Pièce mécanique en poudre d'alliage d'aluminium préalliée obtenue par le procédé de la revendication 1, caractérisée par la présence d'une matrice homogène d'alliage d'aluminium à très fine structure dont la taille des grains est du même ordre de grandeur que celle des grains de poudre initiaux, et dont les inter25 faces sont marqués par un très fin réseau de précipités, ladite pièce ayant une densité égale à 100 % de la densité théorique, sans porosité résiduelle, et sans précipitation grossière. 49398 1 If