Brevet FR2744384A1 — publié le 19970808

BILLETTE ET LOPIN METALLIQUE POUR FORMAGE A L'ETAT SEMI SOLIDE Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine du formage des alliages métalliques à l'état semisolide, c'est à dire à une température comprise entre le solidus et le liquidus de l'alliage, et plus particulièrement des demi-produits tels que des billettes et des lopins découpés dans ces billettes, présentant, lorsqu'ils sont réchauffés à l'état semi-solide, des propriétés thixotropes, et qui sont ensuite mis en forme par forgeage, filage ou injection sous pression, dérivée de la coulée sous pression. Etat de la technique Le formage des alliages métalliques à l'état semi-solide, appelé également thixoformage, s'est développé à partir de la découverte faite au début des années 1970 par l'équipe du Pr FLEMINGS au MIT qu'un métal, élaboré dans certaines conditions particulières, et réchauffé à l'état semi-solide, présente une viscosité apparente qui dépend du temps et de la vitesse de cisaillement. Cette viscosité peut varier ainsi de 109 Pa.s au repos, ce qui permet de le manipuler comme un solide au cours des manutentions, à 1 Pa.s sous fort cisaillement, ce qui permet son injection dans un moule comme un liquide visqueux. Pour présenter ces propriétés, le métal doit s'être solidifié avec une structure globulaire, qu'on peut obtenir soit par agitation mécanique comme dans les premiers brevets du Pr FLEM1NGS, soit par brassage électromagnétique, comme par exemple dans les brevets ITT-ALUMAX US 4434837 et US 4457355, ou les brevets ALUMINIUM PECHINEY EP 0351327 et EP 0439981. L'article écrit par M.P. KENNEY et al. dans le volume 15 Casting du Metals Handbook, 9ème édition, 1989, édité par l'American Society of Materials, pp. 327 338, intitulé Semisolid Metal Casting and Forging présente une synthèse assez complète de cette technique, qui s'applique aux alliages ferreux et non-ferreux, comme les alliages de Zn, Mg, Cu et Ti ainsi qu'aux superalliages base Ni ou Co, mais qui s'est surtout développée commercialement pour les alliages d'aluminium de fonderie. Les principaux avantages du thixoformage sont liés à la facilité de manutention des lopins qui se comportent comme des solides et peuvent être ainsi manipulés à l'aide d'installations automatiques de type carrousel, à la faible pression d'injection due au comportement quasi liquide sous fort cisaillement ,au gain thermique puisqu'il n'est pas nécessaire de chauffer jusqu'à fusion complète, et enfin à la qualité des pièces obtenues sans retassure ni ségrégation, avec la possibilité de réaliser des parois minces avec remplissage laminaire. Ces avantages sont d'autant plus marqués que la viscosité sous fort cisaillement est plus faible, c'est à dire qu'on se rapproche d'un comportement liquide, tout en gardant un comportement solide au repos. Par ailleurs, depuis le début du développement commercial des alliages thixotropes, les fournisseurs se sont efforcés de maintenir la porosité du métal due aux gaz aussi basse que possible, comme ils le font habituellement pour les alliages conventionnels de qualité, la porosité étant supposée nuire à la bonne santé métaîhirgique des pièces réalisées. Ainsi, l'article du Metals Handbook mentionné plus haut indique que, dans les produits obtenus par forgeage à l'état semi-solide, la porosité due aux gaz est très peu fréquente, qu'elle provient de vitesses d'attaque excessives créant une turbulence excessive du flux de métal et piégeant l'atmosphère du moule et qu'elle peut être évitée en réduisant cette vitesse. Ceci montre bien qu'une telle porosité n'est pas souhaitée. Le niveau de gazage du métal peut être estimé sur le métal liquide par une mesure de densité dite do. Elle consiste à prélever à l'aide d'un gobelet une petite quantité de métal liquide, à l'introduire sous une cloche à vide où il va se solidifier lentement sous une pression résiduelle de 80 hPa et à mesurer sa densité à l'aide d'une balance de précision. Moins le métal liquide contient de gaz, plus cette densité est élevée. Dans le cas des alliages d'aluminium, les cahiers des charges pour les billettes thixotropes préconisent des valeurs minimales de la densité d80; par exemple, pour un alliage à 7% de silicium et 0,6 de magnésium, on se fixe d80 > 2,60 pour une densité théorique de 2,67, soit un taux de porosité volumique de l'échantillon solidifié sous 80 hPa, défini par le rapport (dth - d80)/dth Objet de l'invention Les inventeurs ont constaté, de manière imprévue, que, dans le cas du thixoformage, le non-respect de ce cahier des charges, c'est à dire un niveau de gazage plus élevé, non seulement n'entraînait pas les inconvénients attendus sur la santé métallurgique des pièces réalisées, mais conduisait à une réduction très sensible de la viscosité apparente à fort cisaillement du lopin réchauffé à l'état semi-solide, entraînant au contraire une meilleure qualité des pièces forgées ou injectées sous pression, qui sont exemptes de toute porosité, même après traitement thermique ultérieur. De plus, I'allongement des pièces finies est augmenté sans diminution de la résistance à la rupture et de la limite élastique, et la dispersion des allongements est nettement réduite. L'invention a ainsi pour objet une billette d'alliage métallique pour thixoformage coulée à partir de métal liquide dont le niveau de gazage, mesuré par l'essai de solidification sous pression réduite de 80 hPa, est tel que le taux de porosité volumique a = (dth - d80)/ dth est compris entre 4 et 25%. Elle a également pour objet un lopin d'alliage métallique pour thixoformage, découpé dans une billette, présentant, lorsqu'il est réchauffé à l'état semi-solide pour obtenir un taux de fraction liquide compris entre 30 et 70%, pendant un temps t (en mn) = 0,16 d2 (diamètre d en cm), puis refroidi à l'air ambiant par convection naturelle, un taux de porosité volumique p, mesuré par analyse d'image à mi-hauteur et mi-rayon, compris entre 3 et 8%. L'invention s'applique notamment aux alliages d'aluminium et, plus particulièrement aux alliages AlSi contenant de 3 à 30% de Si et, éventuellement, d'autres éléments d'addition tels que le cuivre ou le magnésium. Description de l'invention A l'exception des mesures particulières pour obtenir le taux de porosité contrôlé, la fabrication de billettes de métal thixotrope selon l'invention se fait de manière habituelle, par exemple par coulée verticale en charge avec brassage pseudotorique au moyen de moteurs linéaires triphasés à champs glissants selon le procédé décrit dans les brevets EP 0351327 et EP 0439981. Mais elles peuvent être élaborées également par agitation mécanique au cours de la solidification, par utilisation de mélangeurs- refroidisseurs statiques ou par d'autres méthodes de brassage électromagnétique comme celle décrite dans les brevets US 4434837 et US 4457355. On peut utiliser les moyens classiques de traitement du métal liquide (filtration, poche à injecteur rotatif) pour s'assurer de la propreté inclusionnaire et de l'homogénéité de la structure des billettes coulées. Pour obtenir le taux de porosité contrôlé selon l'invention, on introduit dans le métal liquide une quantité déterminée d'un gaz soluble dans le bain et non susceptible de réagir chimiquement avec hui, en assurant une dispersion fine et homogène des bulles gazeuses. Le gaz le mieux adapté à cet effet est l'hydrogène, qu'on peut mélanger éventuellement à un gaz neutre tel que l'azote ou l'argon. On peut aussi utiliser comme source d'hydrogène des flux à base de sels hydratés. Un autre moyen consiste à utiliser pour introduire l'hydrogène la poche de traitement qui est généralement placée entre le four de maintien et le chantier de coulée, par exemple une poche munie d'un injecteur de gaz à buse rotative, telle que la poche ALPURB vendue par la société PECHINEY RHENALU. Dans ce cas, au heu d'injecter uniquement un gaz neutre comme l'argon ou l'azote, on mélangera au gaz neutre une certaine proportion d'hydrogène. Un dispositif statique de barbotage de gaz peut également être utilisé. Afin de maintenir un niveau de gazage aussi constant que possible pendant la coulée des billettes, l'injection du gaz ou du mélange gazeux se fait de préférence en mode continu. Le niveau de gazage du métal liquide peut être apprécié par la mesure de densité do décrite précédemment. Dans le cas d'un alliage d'ahlminium à 7% de Si et 0,6% de Mg, dont la densité théorique en l'absence de porosité est 2,67, le cahier des charges des fournisseurs prévoit un d80 2,60, ce qui correspond à un taux de porosité a (2,67 - 2,60) / 2,67 = 2,62%. Pour obtenir les propriétés de l'invention, ce taux a doit être supérieur à 4% et c'est seulement au dessus de 25% qu'on risque de voir apparaître des porosités nuisibles dans la pièce forgée ou injectée sous pression. On peut mesurer également la porosité d'un lopin réchauffé à l'état semi-solide avec un taux de fraction liquide compris entre 30 et 70%, et de préférence proche de 50%, pendant une durée nominale t (en mn) égale au carré du diamètre en pouces (ou 0,16 d2 si d est mesuré en cm), puis refroidi à l'air jusqu'à la température ambiante. On utilise dans ce but une méthode d'analyse d'image qui consiste à prélever des échantillons à mi-hauteur et à mi-rayon et à effectuer une analyse d'image sur des micrographies réalisées sur une face polie sans attaque chimique de l'échantillon. Les parties blanches représentent les globules, les parties grises l'eutectique et les parties noires les porosités. La résolution doit être telle que les pores de taille > 10 m soient pris en compte. On répète la mesure sur au moins 25 champs de l'échantillon répartis sur 360 , jusqu'à ce que la moyenne des fractions surfaciques se stabilise. On constate que les propriétés de diminution de la viscosité apparaissent dès que le taux de porosité volumique dépasse 3% et qu'au-delà de 8%, on voit apparaître des porosités dans les pièces forgées ou injectées sous pression. Ces taux sont des taux réels de porosité de gazage dans le lopin au stade de sa mise en oeuvre industrielle par filage, forgeage ou coulée sous pression. Le résultat principal lié à l'utilisation de métal selon l'invention consiste en l'abaissement spectaculaire de la viscosité apparente du lopin réchauffé à l'état semisolide, tous les autres paramètres étant similaires, en particulier la structure globulaire. Le test rhéologique qui mesure cette viscosité apparente est un test de pénétration consistant à mesurer la résistance à la déformation F du lopin réchauffé à l'état semisolide, comprimé par un outil à vitesse constante au terme d'une course de longueur déterminée. On établit le rapport de cette force F à une force-seuil F5 constante, pour une valeur conventionnelle de perte métal par exsudation de 8%, la perte métal étant un indicateur de la température, donc du taux de fraction liquide pour un matériau donné. Dans le cas des alliages d'aEuminium AlSi, on constate une diminution du rapport F/Fs de plus de 40%. On constate également que, malgré l'augmentation de la porosité, la santé métallurgique des pièces forgées ou injectées sous pression est au moins aussi bonne qu'avec du métal dégazé, et les caractéristiques mécaniques sont au moins équivalentes, l'allongement étant même augmenté sans diminution de la résistance. De plus, cet allongement est mieux contrôlé, la dispersion statistique étant nettement réduite. Par ailleurs, des essais de soudage par les procédés TIG et MIG ont permis de vérifier que l'utilisation d'un alliage traité selon l'invention n'entraînait aucune porosité dans le cordon de soudure, ni dans la zone affectée thermiquement, ce qui autorise la réalisation de pièces soudées avec un tel alliage. Exemple On a élaboré un alliage d'aluminium A-S7G0,6 à 7% de silicium et 0,6% de magnésium modifié au strontium de densité théorique 2,67. Avant coulée, l'alliage a été traité dans une poche ALPURB à buse d'injection rotative. Une partie de l'alliage a été traitée avec de l'argon pur, et une autre partie avec de l'argon additionné de 10% (en volume) d'hydrogène. L'ensemble a été coulé sous forme de billettes de diamètre 76 mm et de longueur 3 m en appliquant un brassage électromagnétique au moyen de moteurs linéaires triphasés à champs glissants selon le brevet PECHINEY EP 0439981. L'alliage traité à l'argon pur présentait une densité d80 de 2,64 correspondant à un taux volumique de porosité a de 1,2%, tandis que l'alliage traité au mélange argonhydrogène présentait une densité dso de 2,52, correspondant à un taux de porosité a de 5,6%. On a prélevé 10 lopins de hauteur 110 mm dans une billette d'alliage traité à l'argon pur et 10 lopins dans une billette d'alliage traité au mélange argon-hydrogène, chaque lopin correspondant à la quantité de métal nécessaire à l'injection sous pression d'une pièce témoin. Les lopins ont été réchauffés à une température de 578"C pendant 9 mn dans un four à induction pour atteindre un taux de fraction liquide de 50%. Les tests de rhéologie effectués sur ces lopins donnent une valeur moyenne du rapport F/Fs à 8% de perte métal égale à 0,355 pour le métal traité à l'argon et à 0,200 pour le métal traité au mélange argon-hydrogène, ce qui représente une diminution très importante de la viscosité apparente. Sur des lopins provenant des mêmes billettes, réchauffés dans les mêmes conditions que précédemment et refroidis à l'air jusqu'à la température ambiante, on a mesuré la porosité volumique p (en %), par analyse d'image. Les observations ont été faites à mi-hauteur du lopin sur des surfaces de 110 mm2 centrées respectivement sur l'axe du lopin, à mi-rayon et à 10 mm du bord. Pour chaque zone examinée, on a effectué 3 groupes de 8 mesures décalées chacune d'un angle de 1200, de manière à éliminer le biais du à d'éventuelles ségrégations. Les images des microgaphies obtenues ont été analysées, en utilisant le logiciel d'analyse IBAS de KONTRON, avec une résolution 10 mm du bord mi-rayon axe sans ho 1,9 1,8 1,7 avec H2 4,1 4,4 4,8 On constate que la mesure à mi-rayon donne une bonne approximation du taux de porosité p, qui varie peu selon l'endroit où on le mesure suivant un diamètre. 10 lopins de chacun des 2 types de billettes ont été réchauffés dans les mêmes conditions que précédemment et injectées sous pression sous forme d'ébauches d'éprouvettes de traction de diamètre 19 mm, la pression finale d'injection étant de 100 Mpa. Des éprouvettes de diamètre 13,8 mm et de longueur initiale entre repères 70 mm ont été usinées à partir des ébauches coulées et on a mesuré, selon les normes NF EN 10002-1 et NF A 57102, les caractéristiques mécaniques: résistance à la rupture Rm (en Mpa), limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Ro.2 (en Mpa) et allongement à la rupture A (en %). Les résultats ont été les suivants: Alliage traité Ar Eprouvette Rm Ro.2 À 1 350 299 10,0 2 352 306 8,7 3 349 301 10,3 4 354 309 8,9 5 340 301 3,6 6 355 304 8,7 7 347 313 2,9 8 340 307 2,4 9 353 306 8,1 10 351 302 8,7 Moyenne 349,1 303,8 7,2 Ecart-type 2,87 Alliage traité Ar + H2 Eprouvette Rm A 1 351 309 6,1 2 346 300 8,6 3 351 305 10,0 4 346 293 10,7 5 358 318 7,0 6 351 304 8,7 7 348 301 8,3 8 350 304 7,7 9 350 303 11,0 10 351 304 9,7 Moyenne 350,2 304,1 8,8 Ecart-type 1,51 On constate qu'avec les échantillons en alliage traité avec l'hydrogène, la moyenne de Ru et Ro,2 est très légèrement supérieure et l'allongement moyen nettement plus élevé. D'autre part, la dispersion des allongements, mesurée par l'écart-type, est très nettement diminuée. Afin de vérifier la bonne aptitude au soudage de l'alliage traité à l'hydrogène, des essais de soudage MIG et TIG ont été effectués. Des ébauches d'éprouvettes de traction, identiques à celles utilisées pour la mesure des caractéristiques mécaniques, ont été soudées à des plaquettes issues de tôles en alliage 6061. L'observation micrographique des joints soudés a établi que le cordon de soudure et la zone affectée thermiquement de l'alliage traité à l'hydrogène ne présentaient pas de différence quant à la porosité par comparaison avec l'alliage non gazé. Dans les 2 cas, la qualité de la soudure était très bonne et correspondait, sur ce point, à la classe 1 de la norme française NF 89-220. REVENDICATIONS 1. Lopin d'alliage métallique pour thixoformage, caractérisé en ce qu'il présente, lorsqu'il est réchauffé à l'état semi-solide pour obtenir un taux de fraction liquide compris entre 30 et 70%, pendant un temps t = 0,16 d2 (d en cm), puis refroidi à l'air ambiant, un taux de porosité p, mesuré par analyse d'image à mi-hauteur et mi-rayon, compris entre 3 et 8%. 2. Lopin selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage métallique est un alliage d'aluminium. 3. Billette d'alliage métallique destinée au thixoformage, caractérisée en ce qu'elle est coulée à partir d'un métal liquide dont le niveau de gazage, mesuré par l'essai de solidification sous 80 hPa, est tel que l'échantillon présente un taux de porosité volumique a = (dth - d80)/dth compris entre 4 et 25%. 4. Billette selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'alliage métallique est un alliage d'aluminium. 5. Procédé de gazage contrôlé d'une billette selon l'une des revendications 3 ou 4, ou d'une billette découpée en lopins selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant l'élaboration d'un alliage métallique, le traitement de cet alliage à l'état liquide de manière à y introduire de manière fine et homogène un gaz soluble dans l'alliage liquide et non réactif chimiquement avec hli, et la coulée de cet alliage sous forme de billette avec un brassage lui conférant une structure de solidification globulaire conduisant à des propriétés thixotropes à l'état semi solide. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz est de l'hydrogène. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le gaz est mélangé à un gaz neutre tel que l'argon ou l'azote. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le gaz ou le mélange gazeux est introduit dans l'alliage liquide par un dispositif statique de barbotage. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le gaz ou le mélange gazeux est introduit dans l'alliage liquide par une poche de traitement munie d'un injecteur de gaz à buse rotative. 10. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le gaz est introduit dans l'alliage liquide à l'aide d'un flux constitué d'un sel hydraté.