Brevet FR2730746A1 — publié le 19960823

Procédé de mouillage d'un insert en aluminium dans une pièce moulée en aluminium L'invention concerne un procédé de traitement d'un insert de moulage contenant de l'aluminium au moins à sa surface, dans le but d'obtenir un excellent mouillage de cet insert dans une pièce moulée en aluminium ou en alliage d'aluminium, permettant un transfert à l'insert des contraintes mécaniques auxquelles la pièce moulée sera soumise lors de son utilisation. Le surmoulage d'inserts est une technique couramment utilisée pour obtenir des pièces moulées permettant de concilier des exigences contradictoires. En particulier, on peut utiliser un insert en un matériau à haute résistance mécanique noyé dans une matière moulée ayant une résistance mécaniques moins bonne, mais présentant en contrepartie d'autres caractéristiques intéressantes, par exemple une masse volumique plus faible, un prix plus bas ou une plus grande facilité de moulage, notamment pour l'obtention de pièces de formes complexes. L'aluminium, les alliages d'aluminium et les matériaux composites à matrice d'aluminium ou d'alliages d'aluminium constituent une gamme de matériaux qui présentent entre eux des différences de caractéristiques telles que celles qui viennent d'être évoquées, qui justifieraient la réalisation de pièces moulées comportant un insert en l'un de ces matériaux noyé dans un autre matériau de la gamme. Cependant, une telle réalisation se heurte à une difficulté. Lorsqu'on fait fondre de l'aluminium ou un alliage d'aluminium et qu'on le met en contact avec une pièce contenant de l'aluminium au moins à sa surface, il ne se produit pas d'interdiffusion entre l'aluminium amené à l'état fondu et celui de la pièce initiale, et on obtient, après solidification, une limite nette, visible par les moyens d'observation habituels.Une contrainte mécanique appliquée à une pièce surmoulée réalisée dans ces conditions n'est pas transmise à l'insert qui par conséquent ne joue pas son rôle de renforcement mécanique. Les difficultés ci-dessus sont essentiellement dues à la présence sur la surface de l'insert d'une couche d'alumine qui se forme spontanément sous l'action de l'oxygène de l'air, à laquelle le matériau coulé n'adhère pas et qui forme une barrière entre celui-ci et l'aluminium métallique de l'insert. Le but de l'invention est de fournir un procédé de traitement d'un insert contenant de l'aluminium, permettant à celui-ci d'être mouillé par un matériau fondu à base d'aluminium et de former avec ce dernier, après refroidissement, une pièce présentant une continuité de structure et dans laquelle des contraintes mécaniques peuvent être transmise à l'insert. L'objet de la présente invention est un procédé de traitement d'un insert à l'aide d'une atmosphère contenant au moins un réactif gazeux choisi parmi le fluor et les composé gazeux de celui-ci, dans des conditions appropriées pour permettre un traitement de fluoration de toute la surface de l'insert. Par traitement de fluoration on entend un traitement capable d'introduire et de fixer des atomes de fluor à la surface des produits à traiter. Dans le cas de l'invention, la couche fluorée formée à la surface d'un insert à base d'aluminium contient du fluorure d'aluminium. On a constaté que le traitement de fluoration selon l'invention induit une modification de l'état de surface initial des inserts traités, modification qui s'avère probablement à l'origine de l'amélioration de certaines propriétés, en particulier de l'adhésion entre l'insert et le matériau coulé et par voie de conséquence des propriétés mécaniques de la pièce obtenue. Ces modifications peuvent être mises en évidence par ESCA, spectroscopie infrarouge, spectroscopie Auger et essais de traction. Plus particulièrement, la présence de fluorure d'aluminium dans la couche superficielle permet, lors du surmoulage sur l'insert d'un matériau à base d'aluminium, une interdiffusion des atomes d'aluminium à travers cette couche. Le traitement de fluoration peut être opéré selon toute technique connue en soi. Le fait que le réactif est gazeux permet une modification plus homogène de l'état de surface de la pièce traitée. Le réactif gazeux peut être utilisé pur ou dilué dans un gaz neutre (par exemple de l'azote ou de l'argon), ou dans l'oxygène. Au contact de l'humidité de l'atmosphère ambiante, une partie du fluorure d'aluminium a la possibilité de fixer des molécules d'eau pour donner naissance à un fluorure d'aluminium hydraté. Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou alternatives, sont énoncées ci-après - Le traitement de fluoration est mis en oeuvre au moyen d'un réactif gazeux, seul ou en mélange, choisi parmi le fluor, les fluorures d'halogènes, les fluorures de gaz rares, le trifluorure d'azote NF3, le trifluorure de bore BF3, les fluorures de carbone, l'hexafluorure de soufre SF6, le fluorure d'hydrogène HF et les fluorures gazeux plus complexes. Certains des composés ci-dessus, notamment SF6 et les fluorures de carbone et plus particulièrement CF4, présentent l'avantage d'être moins dangereux que le fluor lui-même et peuvent donc être plus facilement utilisés dans des installations industrielles. - Ledit traitement de fluoration est conduit par voie gazeuse ou par voie plasma radiofréquence. On a constaté que dans un plasma radio fréquence des composés fluorés relativement peu réactifs donnent naissance à des espèces beaucoup plus réactives et propres à se combiner avec les substances présentes à la surface de l'aluminium (alumine, aluminium métallique) pour former une couche fluorée contenant des fluorures d'aluminium. - On part d'un insert recouvert d'une couche d'alumine et du fluorure d'aluminium se forme au sein de ladite couche d'alumine. La continuité de cette couche d'alumine est donc rompue, permettant la diffusion à travers elle des atomes d'aluminium, vers l'intérieur et vers l'extérieur, stimulée par la présence du fluorure d'aluminium. - L'insert est choisi parmi une pièce massive en aluminium ou alliage d'aluminium, une pièce revêtue d'aluminium ou d'alliage d'aluminium et une pièce en matériau composite à matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. - Après la formation de ladite couche superficielle, on place l'insert dans un moule et on introduit dans celui-ci de l'aluminium ou un alliage d'aluminium à l'état fondu pour réaliser une pièce moulée dans laquelle l'insert est noyé. Lors du contact entre le front de coulée de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium (dont la température est comprise entre 500 et 800"C) et la surface de l'insert traité par fluoration, la couche d'alumine est rompue permettant la mise en contact de l'aluminium de l'insert avec celui de la partie coulée. La destruction de la couche d'alumine peut s'expliquer notamment par la décomposition à ces températures du fluorure d'aluminium hydraté avec formation de fluorure d'hydrogène HF suffisamment réactif à cette température pour attaquer l'alumine. L'invention a également pour objet un insert ou une pièce moulée tel qu'on peut l'obtenir par le procédé défini cidessus, l'insert étant constitué par une pièce contenant de l'aluminium au moins à sa surface et présentant une couche superficielle adhérente contenant du fluorure d'aluminium, et la pièce moulée comprenant un insert contenant de l'aluminium au moins à sa surface et relié au reste de la pièce, avec continuité de structure, par une couche d'interface contenant du fluorure d'aluminium. Le fluorure d'aluminium s'étend avantageusement sur une épaisseur de couche supérieure à 50 nm. Des exemples de réalisation de l'invention sont décrits ciaprès à titre illustratif et nullement limitatif. En particulier, les conditions expérimentales de fluoration sont à adapter dans chaque cas au nombre, à la masse et à la surface des inserts à traiter. Dans les exemples 1, 3 et 4, on utilise un équipement de plasma radiofréquence disponible dans le commerce sous la référence PLASMALAB SE80. Exemple 1 Un insert en alliage d'aluminium 2024 est traité dans l'équipement de plasma radiofréquence, en utilisant comme réactif gazeux CF4, avec les paramètres expérimentaux suivants débit de gaz: 7,7 cm3/min pression: 3,33 x 10-4 Pa durée: 1 h. Après le traitement, on constate par les méthodes spectrométriques usuelles la présence de fluorure d'aluminium dans une couche superficielle d'une épaisseur supérieure à 50 nm. En particulier, la figure 1 montre les profils des différents éléments obtenus par spectroscopie Auger. Exemple 2 Un insert en alliage d'aluminium AS7G06 est traité dans un four par le fluor gazeux, avec les paramètres expérimentaux suivants pression: 105 Pa température: 250"C durée: 1 h. On obtient le même résultat que dans l'exemple 1, comme le montrent les courbes analogues reproduites à la figure 2. Exemple 3 Un insert en alliage d'aluminium 2024 est traité dans l'équipement de plasma radiofréquence, en utilisant comme réactif un mélange gazeux composé de CF4 et de 25% en volume de 02. Les paramètres expérimentaux sont les suivants débit de gaz: 15,4 cm3/min pression: 7,47 x 10-4 Pa durée: 1 h. Le résultat obtenu est le même qu'aux exemples précédents. ExemPles 4 à 6 Dans ces trois exemples, des inserts en alliage d'aluminium 2024 sont traités dans les conditions expérimentales des exemples 1 à 3 respectivement. Dans chaque cas, la surface de l'insert se caractérise par la présence de fluorure d'aluminium sur une épaisseur d'au moins 50 nm. L'insert traité est alors préchauffé à 350"C puis positionné dans un moule permanent ou non. Un alliage d'aluminium de type AS7G06, dont la température est comprise entre 620 et 800"C, est ensuite coulé dans ledit moule. Après solidification de l'alliage, des éprouvettes de traction sont usinées, éprouvettes de forme cylindrique avec entaille suivant la norme ASTM E 602-81 (86), de manière à solliciter la liaison métal/insert en traction. La contrainte à la rupture des éprouvettes est 180 +10 MPa pour l'exemple 4 et 165 +10 MPa pour les exemples 5 et 6. Ces résultats sont à comparer à celui obtenu avec un insert en alliage 2024 dégraissé et nettoyé, mais n'ayant subi aucun traitement de fluoration, à savoir 30 +5 MPa. Par ailleurs, la contrainte à la rupture d'une éprouvette en alliage AS7G06 monobloc sans insert, selon la norme précitée, est de 154 +4 MPa. L'examen micrographique des pièces surmoulées montre une interdiffusion au niveau de l'interface dans le cas d'un insert traité, et une séparation nette en l'absence de traitement. Revendications 1. Procédé de traitement d'un insert de moulage contenant de l'aluminium au moins à sa surface, dans lequel on soumet ledit insert à un traitement de fluoration dans une atmosphère contenant au moins un réactif gazeux choisi parmi le fluor et les composé gazeux de celui-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conditions du traitement de fluoration sont choisies pour conduire à la formation sur l'insert d'une couche superficielle adhérente contenant des fluorures d'aluminium. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement de fluoration est mis en oeuvre au moyen d'un réactif gazeux, seul ou en mélange, choisi parmi le fluor, les fluorures d'halogènes, les fluorures de gaz rares, le trifluorure d'azote NF3, le trifluorure de bore BF3, les fluorures de carbone, l'hexafluo- rure de soufre SF6, le fluorure d'hydrogène HF et les fluorures gazeux plus complexes. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on utilise comme réactif CF4. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit traitement de fluoration est conduit par voie gazeuse. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit traitement de fluoration est conduit par voie plasma radiofréquence. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on part d'un insert recouvert d'une couche d'alumine et en ce que du fluorure d'aluminium se forme au sein de ladite couche d'alumine. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert est choisi parmi une pièce massive en aluminium ou alliage d'aluminium, une pièce revêtue d'aluminium ou d'alliage d'aluminium et une pièce en matériau composite à matrice d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, après la formation de ladite couche superficielle, on place l'insert dans un moule et on introduit dans celui-ci de l'aluminium ou un alliage d'aluminium à l'état fondu pour réaliser une pièce moulée dans laquelle l'insert est noyé. 10. Insert tel qu'on peut l'obtenir par le procédé selon l'une des revendications 1 à 8, constitué par une pièce contenant de l'aluminium au moins à sa surface et présentant une couche superficielle adhérente contenant du fluorure d'aluminium. 11. Pièce moulée telle qu'on peut l'obtenir par le procédé selon la revendication 9, comprenant un insert contenant de l'aluminium au moins à sa surface et relié au reste de la pièce, avec continuité de structure, par une couche d'interface contenant du fluorure d'aluminium. 12. Pièce selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le fluorure d'aluminium est présent sur une épaisseur de couche supérieure à 50 nm.