Brevet FR2621929A1 — publié le 19890421

Z621929 La présente invention concerne un article en alliage aluminium-silicium fabriqué par un procédé de moulage par pression et en particulier, mais pas exclu- sivement, une chemise de cylindre en alliage d'alumi- nium-silicium pour moteur à combustion interne, fabri- quée par moulage par pression. On sait que les chemises de cylindre peuvent être fabriquées par moulage par pression d'alliages d'aluminium, mais afin d'obtenir des propriétés de résistance à l'usure appropriées, il était nécessaire jusqu'à présent d'appliquer sur les alésages internes de ces chemises un revêtement composite nickel-carbure de silicium. En général, ce procédé de revêtement augmente de manière inacceptable le coût de production de ces chemises. Il a été proposé dans GB-A-2 085 920 de la Société Comalco Limited d'utiliser un alliage alumi- nium-silicium coulé dans la production de divers compo- sants d'automobiles, l'alliage ayant une microstructure essentiellement eutectique ne contenant pas plus de % de dendrites d'aluminium alpha primaires et étant pratiquement exempt de particules intermétalliques de plus de 10 pm de diamètre. On trouve une discussion supplémentaire de l'alliage, objet de ce brevet, dans SAE Technical Paper Series 840123 et 860558, o l'allia- ge, désigné par Comalco Limited sous le nom de 3HA, est décrit comme pouvant être coulé par des procédés de coulée par gravité, sous basse pression ou sous haute pression. Il doit être entendu d'après le brevet et les documents cités ci-dessus que les propriétés de l'alliage 3HA sont déterminées par la microstructure correcte qui est à son tour produite par la composition spécifique de l'alliage et ses paramètres de solidifica- tion. Par exemple, il est indiqué dans le brevet que 262 1 929 Le renforcement de La matrice est augmenté par La présence de particules stables contenant du manganèse et du zirconium. Il est également indiqué que l'on ajoute du titane, à cause de ses caractéristiques connues d'affinage du grain, pour améliorer l'aptitude à la coulée et les propriétés mécaniques de l'alliage. La Demanderesse a découvert que l'on peut fabriquer des articles en alliage aluminium-silicium ayant des caractéristiques souhaitables semblables à celles de l'alliage 3HA à partir d'une masse fondue d'alliage de composition différente de celle de L'alliage 3HA et ayant des paramètres de solification différents. La présente invention a donc pour objet de proposer un article nouveau ou amélioré en alliage aluminium-silicium et son procédé de fabrication. Selon l'invention, on propose un article moulé par pression en alliage aluminium-silicium fabri- qué à partir d'une masse fondue ou bain defusion ayant essentiellement la composition suivante: Silicium 14 % à 16 % en poids Cuivre 1,9 % à 2,2 % en poids Nickel 1,0 % à 1,4 % en poids Magnésium 0,4 % à 0,55 % en poids Fer 0,6 % à 1,0 % en poids Manganèse 0,3 % à 0,6 % en poids Modificateur du silicium 0,02 % à 0,1 % en poids, le solde consistant en aluminium et les impuretés inévitables, l'article ayant dès sa formation une microstructure essentiellement eutectique ne contenant pas plus de 10 % de dendrites primaires d'aluminium alpha et pratiquement exempte de particules intermétal - liques de plus de 10 pm de diamètre. La teneur en modificateur du silicium dans la masse fondue peut être dans la gamme de 0,02 à 0,08 % en poids et, de préférence, le modificateur du silicium est le strontium. On propose également, selon L'invention, un procédé de fabrication d'un article mouLé par pres- sion tel que décrit ci-dessus, dans Lequel, pendant l'opération de moulage par pression, la masse fondue est soLidifiée dans des conditions telles de température et de pression constantes que la vitesse de croissance R de la phase solide pendant la solidification est de 1000 à 2500 pm/s et Le gradient de température G à l'interface solide/liquide exprimé en C/cm, est tel que le rapport G/R est de 100 à 1000 C.s/cm. Le procédé peut comprendre une étape supplé- mentaire de traitement thermique complet de l'article dès sa formation, consistant en un traitement en solu- tion consistant à chauffer et maintenir l'article à une première température, à tremper l'article par l'eau et à réchauffer et maintenir l'article à une seconde température,qui est inférieure à ladite première température. L'article moulé par pression en alliage aluminium-silicium mentionné ci-dessus consiste avanta- geusement en une chemise de cylindre pour moteur à combustion interne, bien que les articles fabriqués par moulage par pression selonl'invention puissent comprendre d'autres composants dans lesquels les pro- priétés de résistance à l'usure sont importantes; ainsi, par exemple, mais sans limitation, les articles peuvent comprendre un piston alternatif pour moteur à combustion interne ou pour compresseur, ou un disque ou tambour de frein ou un cylindre de frein pour appli- cation automobile. Comme il est connu de l'homme de l'art, la technique de moulage par pression consiste essentiel- lement à introduire le métal liquide dans une première partie d'un moule, à fermer le moule sous pression de telle sorte que le métal liquide remplisse la cavité du moule sans inclure d'air, à maintenir le métal 262 1929 sous pression pendant que la solidification a lieu de manière à assurer que les éventuelles cavités de retrait qui peuvent se former soient fermées et remplies et ensuite à ouvrir le moule et à retirer l'article moulé. Le procédé de moulage par pression est donc différent de la coulée par gravité, sous basse pression ou sous haute pression, en ce que la solidification de la masse fondue a lieu dans des conditions constantes de température et de pression. De manière typique, la pression appliquée à la masse fondue peut être de l'ordre de 70 MPa et peut être maintenue pendant une durée de l'ordre de 40 secondes. Les paramètres de solidification du procédé de moulage par pression sont différents de ceux obtenus dans d'autres procédés connus de coulée et, par conséquent, selon le procédé de l'invention, la microstructure désirée peut être obtenue à une vitesse de croissance de solidification R de la phase solide de 1000 à 2500 pm/s, en supprimant le zirconium et le titane dans la composition. De manière spécifique, le titane n'est pas nécessaire, car on trouve dans l'article aussitôt moulé le degré désiré d'affinage du grain comme conséquence directe du procédé de fabrication par moulage par pression. Des chemises de cylindres pour moteur à combustion interne ont été produites selon l'invention et la microstructure de sections d'une chemise est représentée dans les dessins annexes dans lesquels: - la figure I est une microphotographie au grossissement 400 fois d'une section non attaquée de la chemise dès sa formation; et - la figure 2 est une microphotographie au grossissement 400 fois de la section non attaquée correspondante de la chemise après le procédé de traite- ment thermique complet (T6). A titre d'exemples et à des fins d'essais, on a fabriqué des chemises de cylindres pour moteur à combustion interne par moulage par pression des deux alliages aluminium-silicium suivants: Exemple 1 Silicium 14 à 16 % en poids Cuivre 1,9 à 2,2 % en poids Nickel 1,0 à 1,4 % en poids Magnésium 0,4 à 0,55 % en poids Fer 0,6 à 1,0 % en poids Manganèse 0,3 à 0,6 % en poids Strontium 0,02 à 0,08 % en poids le solde étant l'aluminium et les impuretées accidentel- les. Exemple 2 Silicium 14 à 16 % en poids Cuivre 1,9 à 2,2 % en poids Nickel 1,0 à 1,4 % en poids Magnésium 0,4 à 0,55 % en poids Fer 0,6 à 1,0 % en poids Manganèse 0,3 à 0,6 % en poids Strontium 0,02 à 0,1 % en poids le solde étant l'aluminium et les impuretés accidentel- les. Pendant le moulage par pression des deux compositions ci-dessus en chemises de cylindres, la vitesse de croissance R de la phase solide pendant la solidification est de 1000 à 2500 pm/s et le gradient de température G à l'interface solide/liquide, exprimé en C/cm, est tel que le rapport G/R est de 100 à 1000 C.s/cm2 Dans la chemise de cylindre qui vient d'être moulée, on trouve que la microstructure représentée dans la microphotographie de la figure 1 est essentiel- lement eutectique et ne contient pas plus de 10 % de dendrites primaires d'aluminium alpha et qu'elle est sensiblement exempte de particules intermétalliques de plus de 10 pm de diamètre. On soumet ensuite les chemises qui viennent d'être moulées à un procédé de traitement thermique complet (T6) qui est un traitement en solution consis- tant à chauffer et maintenir les chemises à environ 480 à 530 C pendant une durée comprise entre 5 et heures, à tremper les chemises dans l'eau chaude et ensuite à les faire vieillir artificiellement en les réchauffant et en les maintenant à une température d'environ 140 à 250 C pendant une durée comprise entre 2 et 30 heures. La microstructure de cette chemise ainsi traitée thermiquement est représentée dans la microphotographie de la figure 2 et,après ce traitement thermique complet, on trouve que les propriétés mécani- ques moyennes sont les suivantes: Résistance à la traction 350 à 380 MPa Dureté (Brinell) 130 à 160 Limite élastique à la compression à 0,2 % 400 à 450 MPa On effectue d'autres essais mécaniques à température élevée, qui donnent les valeurs suivantes de résistance à la traction: C I h 330 à 360 MPa 1000 h 300 à 320 MPa 200 C I h 310 à 340 MPa 1000 h 200 à 230 MPa 250 C 1 h 220 à 240 MPa 1000 h 100 à 150 MPa Dans des conditions d'usure par glissement, on trouve que les chemises pour cylindres produites comme décrit ci-dessus ont d'excellentes propriétés de résistance à l'usure. Donc, l'article de la présente invention bénéficie des avantages propres à un produit moulé par pression du fait qu'il est produit à une densité élevée sans inclusion d'air en un cycle de production de durée relativement courte, tout en bénéfi- ciant également des propriétés souhaitables de la microstructure essentiellement eutectique. Egalement, par utilisation d'un procédé de moulage par pression, on peut supprimer les éléments d'alliage coûteux zirco- nium et titane. REVENDICATIONS 1. Article en alliage aluminium-silicium moulé par pression, caractérisé en ce qu'il est fabriqué à partir d'un bain de fusion ayant essentiellement la composition suivante: Silicium 14 à 16 % en poids Cuivre 1,9 à 2,2 % en poids Nickel 1,0 à 1,4 % en poids Magnésium 0,4 à 0, 55 % en poids Fer 0,6 à 1,0 % en poids Manganèse 0,3 à 0,6 % en poids Modificateur du silicium 0,02 à 0,1 % en poids le solde étant de l'aluminium et les impuretés inévita- bles, l'article ayant dès sa formation une microstruc- ture essentiellement eutectique ne contenant pas plus de 10 % de dendrites primaires d'aluminium alpha et pratiquement exempte de particules intermétalliques de de plus de 10 km de diamètre. 2. Article moulé par pression selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la proportion du modificateur du silicium dans le bain de fusion est dans la gamme de 0,02 à 0,08 % en poids. 3. Article moulé par pression selon la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que le modificateur du silicium est le strontium. 4. Article moulé par pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste en une chemise de cylindre pour moteur à combustion interne. 5. Procédé pour fabriquer un article moulé par pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pendant l'opération de moulage par pression, le bain de fusion est solidifié dans des conditions telles de température et de pression constantes que la vitesse de croissance R de la phase solide pendant la solidification est de 1000 à 2500 pm/s et le gradient de température G à l'interface solide/li- quide, exprimé en C/cm, est tel que le rapport G/R est de 100 à 1000 C. s/cm2. 6. Procédé selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire de traitement thermique complet de l'article dès sa formation, qui est un traitement en solution comprenant le chauffage et le maintien de l'article à une première température, la trempe de l'article par l'eau et le réchauffage et le maintien de l'article à une seconde température,qui est inférieure à ladite première tempé- rature. 7. Procédé de fabrication d'une chemise de cylindre pour moteur à combustion interne selon le procédé selon la revendication 5 ou 6.