Brevet FR2788317A1 — publié le 20000713

Ressort hélicoïdal en fil d'alliage d'aluminium Domaine de l'invention L'invention concerne un ressort réalisé à partir de fil métallique de section circulaire enroulé en hélice cylindrique et destiné à être soumis à une force de compression ou de traction suivant l'axe de l'hélice. Etat de la technique On utilise depuis de nombreuses années des ressorts hélicoïdaux réalisés à partir de fil d'acier. Pour former un ressort qui convient pour des applications industrielles, les propriétés suivantes sont requises: - une résistance mécanique suffisante du fil, exprimée par la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% R0,2; - une raideur appropriée du ressort lui permettant de résister suffisamment aux forces de compression et de traction sans toutefois être trop raide - une résistance à la fatigue suffisante. A titre d'exemple, pour l'utilisation de ressorts en acier dans un matelas, les fabricants de matelas exigent une résistance d'au moins 96 h pour une sollicitation alternée de 100 cycles/mn d'une valeur correspondant à une compression du ressort à 50% de sa hauteur initiale, soit 576000 cycles au total. Les ressorts hélicoïdaux en acier au carbone satisfont à ces différentes conditions. Cependant, pour certaines applications, ces ressorts peuvent avoir trois types d'inconvénients Compte tenu de la densité élevée de l'acier, ces ressorts sont lourds. Il existe de nombreuses applications dans lesquelles l'utilisateur préférerait avoir un ressort qui, à performance mécanique et durabilité égales, soit moins lourd. A titre d'exemple, les matelas à ressorts acier sont d'un poids élevé, ce qui les rend difficiles à manipuler. Pour les ressorts à suspension dans les voitures ou les motos, un gain de poids est également un avantage pour diminuer l'inertie des masses mobiles et la masse totale du véhicule. Par ailleurs, la résistance à la corrosion de l'acier au carbone peut être insuffisante pour certaines applications o le ressort est soumis à l'humidité ou à des atmosphères agressives. Enfin, le caractère ferromagnétique de l'acier peut être gênant dans certains dispositifs mécaniques soumis à des champs magnétiques intenses, ou dans certains dispositifs électromagnétiques de grande précision. D'autre part, un nombre croissant d'acheteurs souhaiterait disposer de matelas ne comportant pas de matériaux ferromagnétiques, pouvant avoir une influence défavorable sur la qualité du sommeil. L'invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en permettant l'utilisation de ressorts hélicoïdaux en un matériau léger, résistant à la corrosion et amagnétique et restant d'un coût acceptable pour une fabrication en grande série. On peut remarquer que les publications générales sur les ressorts, telles que par exemple le chapitre "Ressorts" des Techniques de l'Ingénieur, volume B5, Génie Mécanique, sections B5430 à B5440, août 1984 (auteur Michel Duchemin), envisagent un assez grand nombre de matériaux métalliques ferreux ou non- ferreux pour la fabrication des ressorts, mais pas les alliages d'aluminium. Objet de l'invention L'invention a pour objet un ressort hélicoïdal réalisé à partir d'un fil en aluminium dont la limite d'élasticité dépasse 350 MPa et préférentiellement 400 MPa. Cette limite d'élasticité peut être atteinte, grâce à des gammes de fabrication appropriées, soit avec des alliages d'aluminium à durcissement par écrouissage, comme des alliages AIMg, notamment les alliages 5019, 5052, 5154A, 5251 ou 5754 selon la norme EN 573-3, soit des alliages à durcissement structural, comme des alliages A1Cu. ou AIZn, et notamment les alliages 2011, 2014, 2014A, 2017, 2017A, 2024 ou 2117. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un ressort, destiné notamment à la fabrication de matelas, présentant une résistance à la fatigue d'au moins 96 h sous une compression alternée à 50% de sa hauteur initiale à raison de 100 cycles/mn, réalisé à partir d'un fil en alliage d'aluminium de section comprise entre 2 et 3 mm, ce fil ayant une limite d'élasticité Ro,2 > 400 MPa et un module de Coulomb G > 20 GPa, et de préférence > 25 GPa. Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un ressort à partir d'un fil en alliage d'aluminium AIMg, caractérisé par le fait que l'on soumet une ébauche de fil machine à une ou plusieurs passes de tréfilage suivies d'un recuit, puis à un écrouissage supérieur à 100 % et préférentiellement à 200 %, avant de fabriquer un ressort à partir de ce fil. Un autre objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un ressort à partir d'un fil en alliage AICu, caractérisé en ce que l'on soumet une ébauche de fil machine à une ou plusieurs passes de tréfilage suivies d'un recuit, puis à un écrouissage supérieur à % et préférentiellement à 200 %, à une mise en solution suivie d'une trempe, à une ou plusieurs passes de tréfilage à un taux cumulé d'écrouissage supérieur à 20 % et préférentiellement supérieur à 30 %, et à une maturation, avant de fabriquer à partir de ce fil un ressort. Les ressorts selon l'invention peuvent également être utilisés dans les éléments de suspension ou d'amortissement de véhicules terrestres, machines agricoles ou d'aéronefs ou dans des dispositifs mécaniques soumis à de champs électromagnétiques intenses. Description de l'invention L'invention repose sur la constatation qu'il est possible, en choisissant à la fois des compositions d'alliage et une gamme de fabrication appropriées, d'obtenir des ressorts hélicoïdaux en fil d'alliage d'aluminium présentant des propriétés d'emploi au moins équivalentes à celles des ressorts en fil d'acier, avec un diamètre de fil du même ordre, et donc un gain de poids important, une bonne résistance à la corrosion et une absence de magnétisme. Les alliages d'aluminium utilisés doivent conduire, pour le fil servant à la confection des ressorts, à une résistance mécanique élevée, la limite élastique R0,2 dépassant 400 MPa, voire 500 MPa. Ceci peut être obtenu avec des alliages sans traitement thermique, mais à forte capacité de durcissement par écrouissage, comme les alliages AIMg (série 5000), avec un écrouissage important (à un taux de plus de 100 % et préférentiellement plus de 200 %) lors de la dernière passe de tréfilage. La demanderesse a obtenu de bons résultats avec l'alliage EN AW-5019 de composition générale selon la norme EN 573-3 (% en poids): Si autres éléments 0,05 chaque et 0,15 au total. On peut obtenir des caractéristiques encore meilleures avec des alliages à traitement thermique comme les alliages A1Cu (série 2000). Le fil, avant la mise en solution, est soumis à un écrouissage d'au moins 100 % et préférentiellement d'au moins 200 %. Ensuite, il est soumis à une mise en solution et à une trempe, puis à une dernière passe de tréfilage à un taux d'écrouissage d'au moins 20% et de préférence d'au moins %, suivie d'une maturation à température ambiante. On peut ainsi atteindre une limite élastique supérieure à 500 MPa. Un alliage particulièrement adapté est l'alliage EN AW-2017 selon la norme EN 573- 3 de composition: Si: 0,20 - 0,80 Fe préférentiellement supérieur à 25 GPa. On effectue cette mesure de raideur (ou rigidité) en appuyant sur le ressort de manière progressive, en enregistrant la force appliquée, et en mesurant l'enfoncement observé. La relation entre force appliquée F et enfoncement e étant linéaire, on en déduit la raideur totale R qui est le quotient F/e. Exemples Exemples5 Exemple 1 Exemple i On a réalisé par coulée continue sur roues et laminage continu entre des trains de galets alternativement horizontaux et verticaux, un fil machine d'ébauche d'un diamètre de 9,5 mm en alliage 5019 de composition suivante (%O en poids): Si = 0,06 Fe = 0,13 Cu = 0,01 Mn = 0, 13 Mg = 4,8 Cr = 0,08 L'ébauche, après graissage, a été tréfilée jusqu'au diamètre de 7,5 mm, avec un écrouissage de 60%. Le fil a été recuit, puis à nouveau graissé avant d'être tréfilé au diamètre final de 2,5 mm, avec un taux d'écrouissage de 800%. Ce fil présentait les caractéristiques mécaniques suivantes (mesurées selon la norme EN 1301-2) Résistance à la rupture Rm: 466 MPa Limite d'élasticité Ro,2: 427 MPa Allongement à rupture A (mesuré sur une base de référence de 100 mm): 5% t5 On a fabriqué avec ce fil des ressorts hélicoïdaux de hauteur initiale 120 mm et de diamètre d'hélice 50 mm, comportant 4,7 spires utiles. On a mesuré la raideur totale R du ressort qui était de 0,21 N/mm. On en déduit un module de Coulomb de 25,40 GPa. A l'aide d'un ensemble bielle-manivelle, on a comprimé le ressort à 50% de sa valeur initiale au rythme de 100 cycles/mn pendant 96 h, soit un total de 576 000 cycles, sans constater de rupture de fatigue. Ces ressorts hélicoïdaux ont été utilisés pour la fabrication de matelas à ressorts. Exemple 2 On a réalisé par coulée sur roue et laminage continu un fil machine d'ébauche de diamètre 9,5 mm en alliage 2017 de composition (% en poids): Si = 0,56 Fe = 0,13 Cu = 4,0 Mn = 0,64 Mg = 0, 70 L'ébauche a été graissée, puis tréfilée jusqu'au diamètre 7 mm, avec un taux d'écrouissage de 84 %, recuite, à nouveau graissée et tréfilée jusqu'à l'épaisseur finale de 2,2 mm, avec un taux d'écrouissage de 732 %. Le fil a été ensuite mis en solution à 500 C, trempé à l'eau froide, puis soumis à une passe d'écrouissage à un taux de %, et enfin laissé en maturation à la température ambiante pendant 3 jours. Il présentait alors les caractéristiques mécaniques suivantes (déterminées comme dans l'exemple 1): R, = 591 MiPa Ro,2 = 582 MPa A = 6% On a réalisé avec ce fil le même ressort que dans l'exemple précédent, qu'on a soumis aux mêmes essais. On a obtenu une raideur totale R de 0,18 N/mm correspondant à un module de Coulomb de 36, 78 GPa, et une absence de rupture par fatigue à 576000 cycles. Ces ressorts hélicoïdaux ont été utilisés pour la fabrication de matelas à ressorts. Exemple 3 On a réalisé un fil en alliage 2024 de diamètre 4,0 mm à partir d'une ébauche d'un diamètre de 12,3 mm, en réalisant d'abord un tréfilage avec un taux d'écrouissage de %, puis un recuit et un tréfilage jusqu'au diamètre final. Après mise en solution, trempe et maturation, le fil présentait une limite élastique de 430 MPa. On a réalisé un ressort comme dans l'exemple précédent, qui ne montrait pas de rupture par fatigue après 640 000 cycles. A partir de ce fil, on a fabriqué des éléments de suspension pour vélomoteur. REVENDICATIONS 1. Ressort hélicoïdal réalisé à partir d'un fil métallique, caractérisé en ce que le fil est en alliage d'aluminium, avec une limite d'élasticité R0,2 > 350 MPa et préférentiellement > 400 MPa. 2. Ressort hélicoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil a une limite d'élasticité R0,2 > 500 MPa. 3. Ressort hélicoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est un alliage AIMg. 4. Ressort selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage est choisi parmi les alliages 5251, 5052, 5154A, 5754, 5019. 5. Ressort selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est un alliage AlCu. 6. Ressort selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alliage est choisi parmi les alliages 2011, 2014, 2014A, 2017, 2017A, 2117, 2024. 7. Ressort selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est un alliage AIZn. 8. Ressort hélicoïdal selon l'une des revendications I à 7, caractérisé en ce qu'il présente une résistance à la fatigue d'au moins 96 h sous une compression alternée à 50% de sa hauteur initiale à raison de 100 cycles/mn, et qu'il est réalisé à partir d'un fil en alliage d'aluminium de section comprise entre 2 et 3 mm, ce fil ayant un module de Coulomb G > 20 GPa et préférentiellement G > 25 GPa. 9. Utilisation d'un ressort selon l'une des revendications I à 7 pour la fabrication d'éléments de suspension pour véhicules terrestres, machines agricoles ou aéronefs 10. Utilisation d'un ressort selon l'une des revendications 1 à 7 dans des dispositifs mécaniques soumis à des champs électromagnétiques intenses. Il. Procédé de fabrication d'un ressort hélicoïdal en fil en alliage d'aluminium AICu selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on soumet une ébauche de fil machine à une ou plusieurs passes de tréfilage suivie(s) d'un recuit, puis à un écrouissage de taux supérieur à 100 % et préférentiellement supérieur à 200 %, à une mise en solution suivie d'une trempe, à une ou plusieurs passes de tréfilage à un taux cumulé d'écrouissage supérieur à 20 % et préférentiellement supérieur à 30 %, et à une maturation, et qu'on fabrique un ressort à partir de ce fil. 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'écrouissage qui précède la mise en solution est supérieur à 400 %. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 1 ou 12, caractérisé en que le fil est en alliage 2017. 14. Procédé de fabrication d'un ressort hélicoïdal en fil d'alliage d'aluminium AlMg selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on soumet une ébauche de fil machine à une ou plusieurs passes de tréfilage suivi d'un recuit, puis à un écrouissage supérieur à 100 % et préférentiellement supérieur à 200 %, et qu'on fabrique un ressort à partir de ce fil. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'écrouissage est supérieur à 400 % 16. Procédé selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que le fil est en alliage 5019.