Brevet FR2827306A1 — publié le 20030117

Alliage d'aluminium à haute ductilité pour coulée sous pression Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des alliages aluminium-silicium destinés à la fabrication de pièces moulées par coulée sous pression d'épaisseur relativement mince, et notamment des pièces de structure ou de sécurité pour l'automobile. Etat de la technique L'utilisation des alliages d'aluminium de moulage se développe rapidement dans l'automobile, notamment pour les pièces de sécurité telles que les liaisons au sol et les éléments de structure, permettant un allègement du véhicule. Cet allègement est d'autant plus important qu'on peut obtenir une résistance mécanique élevée. Des alliages connus, tel que l'alliage AI-Si9Cu3Mg permettent d'obtenir, à l'état non traité F, une résistance à la rupture Rm d'au moins 300 MPa et une limite d'élasticité Rpo, 2 d'au moins 230 MPa. Par contre, l'allongement à la rupture A ne dépasse pas 2%. Or, les pièces de structure ou de sécurité pour l'automobile requièrent une ductilité suffisante pour absorber l'énergie et éviter une rupture en cas de choc, ainsi que pour s'adapter à divers modes d'assemblage. D'autre part, la teneur élevée en cuivre, si elle a une influence favorable pour la résistance mécanique, rend l'alliage sensible à la corrosion. Or, une bonne résistance à la corrosion, notamment à la corrosion sous contrainte, est nécessaire pour éviter une détérioration de la pièce dans un environnement corrosif tel que le sel de déneigement. Diverses formulations d'alliages ont été proposées pour répondre à ces exigences Par exemple, le brevet US 3726672, déposé en 1970 par US Reduction, décrit un alliage pour roue coulée sous pression de composition (% en poids) : Si Il-13, 5 Mg : 0, 25-0, 6 Cu : 0, 25-0, 6 Mn Le brevet US 4104089, déposé en 1976 par Nippon Light Metal concerne des pièces moulées sous pression sans porosité pour l'automobile à haute résistance mécanique et tenue aux chocs, de composition : Si : 7-12 Mg : 0, 2-0, 5 Mn : 0, 55-1 Fe : 0, 65-1, 2 Les pièces sont traitées par mise en solution entre 450 et 530 C, trempées et soumises à un revenu de plus d'une heure entre 150 et 230 C. Le brevet EP 0687742, déposé en 1994 par Aluminium Rheinfelden décrit un alliage pour coulée sous pression destiné à des pièces moulées de sécurité, de composition (% en poids) : Si : 9, 5-11, 5 Mg : 0, 1-0, 5 Mn : 0, 5-0, 8 Fe Le brevet US 6132531, déposé en 1997 par Alcoa, concerne un alliage pour coulée sous pression, destiné notamment aux noeuds de structure de carrosserie automobile de type space-frame , de composition : Si But de l'invention L'invention a pour but de fournir des alliages d'aluminium pour la coulée sous pression de pièces de structure et de sécurité pour l'automobile présentant à la fois une résistance mécanique suffisante sans nécessiter obligatoirement un traitement thermique complet du type T6 ou T7, une ductilité élevée, une bonne résistance à la corrosion, une bonne aptitude au moulage et permettant la fabrication de pièces en grandes séries dans des conditions économiques acceptables. Objet de l'invention L'invention a pour objet un alliage d'aluminium ductile destiné à la coulée sous pression de composition (% en poids) : Si : 2-6 Mg De préférence, on vise les valeurs limites suivantes : Si : 3, 5-5 Mg : 0, 05-0, 20 Ti : 0, 05-0, 15 Cu 110 MPa et un allongement à la rupture A > 10%. Description des figures Les figures la, lob et le représentent la variation respective de la résistance à la rupture, de la limite d'élasticité et de l'allongement en fonction de la teneur en silicium, pour différentes teneurs en magnésium, sur des plaques échantillons d'épaisseur 2,5 mm coulées sous pression avec assistance de vide et non traitées thermiquement (état F). La figure 2 montre les caractéristiques mécaniques de pièces coulées sous pression (S) et en coquille par gravité (Coq) pour des alliages à 7% de silicium en fonction de leur teneur en magnésium. Description de l'invention L'invention repose notamment sur la constatation qu'en abaissant la teneur en silicium par rapport aux alliages de l'art antérieur destinés aux mêmes applications, on peut obtenir pour les pièces coulées sous pression un compromis intéressant entre la résistance mécanique, en particulier à l'état simplement revenu (T5) et la ductilité, tout en gardant une coulabilité acceptable, et une absence de criques et de retassures. La teneur en silicium est d'au moins 2% pour garder une bonne coulabilité, et au plus de 6% pour obtenir une ductilité élevée à l'état T5. Elle est de préférence comprise entre 3,5 et 5%. L'influence de la teneur en silicium sur la limite d'élasticité et l'allongement est illustrée par les figures la et lb à l'état F (non traité) et la figure 2 à l'état T5, qui montrent en particulier la diminution rapide de l'allongement lorsque la teneur en silicium augmente. Le magnésium a les mêmes effets que le silicium en formant avec lui des particules de Mg2Si qui ont un effet durcissant au traitement thermique. Cependant, la demanderesse a constaté avec surprise qu'aux vitesses de refroidissement spécifiques à la coulée sous pression de pièces de faible épaisseur, cet effet durcissant subsiste partiellement en l'absence de mise en solution et trempe, vraisemblablement par un effet de sursaturation de la solution solide d'aluminium. On peut ainsi limiter la teneur en magnésium à 0,4, voire à 0,3 ou 0,25%, ce qui améliore l'allongement, le tout en gardant une bonne limite d'élasticité. Le fer, le manganèse, le chrome, le cobalt, le vanadium, le molybdène et le nickel forent individuellement ou en combinaison avec l'aluminium des composés intermétalliques fragilisants, et leur teneur doit être limitée. Cependant, lorsque la vitesse de refroidissement au démoulage est importante, la fragilisation est moindre, car ces composants ont une taille réduite et une morphologie plus favorable. Inversement, ces mêmes éléments contribuent à réduire le collage dans le moule de coulée, en diminuant le potentiel chimique de l'alliage par rapport à l'acier. Comme le fer a une influence défavorable sur l'allongement et doit être limité à 0,5%, et de préférence à 0,2%, il est indispensable qu'en plus du fer l'un au moins des autres éléments soit présent. Dans le cas où cet élément est le manganèse, sa teneur doit être comprise entre 0,3 et 2%, et de préférence entre 0,7 et 1,5%. Le titane, combiné au bore, est un affinant de la solution solide d'aluminium en réduisant la taille de grain des particules primaires. De plus, il augmente la capacité d'alimentation de la contraction volumétrique pendant la solidification, ce qui contribue à améliorer la compacité des pièces. Le cuivre doit être maintenu en dessous de 0,3%, et de préférence de 0,1% pour éviter une sensibilité à la corrosion, et parce qu'il réduit l'allongement. Le plomb, l'étain et l'antimoine inhibent l'action des éléments modificateurs.. Les éléments modificateurs ou affinants de l'eutectique, tels que le strontium, le sodium et le calcium, modifient la taille et la morphologie des plaquettes de silicium en leur donnant une structure fibrée. Ils peuvent agir également comme affinants de certains composés intermétalliques. Les pièces moulées sous pression, avec ou sans assistance de vide, à partir des alliages selon l'invention, peuvent être utilisées sans traitement thermique (état F), ou au contraire être soumises à un traitement thermique complet T6 ou T7 comportant une mise en solution, une trempe et un revenu, ou un traitement T3 avec vieillissement naturel après trempe. Elles sont particulièrement bien adaptées à un simple traitement de revenu (état T5), à une température inférieure à 220 C, d'une durée comprise entre 15 mn et 1 h., ce traitement pouvant être réalisé, pour les pièces automobiles, lors de l'opération de cuisson des peintures, qui se fait généralement à une température comprise entre 150 et 220 C. Les alliages selon l'invention permettent de réaliser des pièces présentant à la fois une bonne résistance mécanique et un allongement élevé, conduisant à une bonne résistance aux chocs et rendant possibles des assemblages nécessitant une grande ductilité, par exemple le sertissage. Elles présentent également une bonne aptitude au soudage TIG, MIG ou laser, et une bonne compatibilité avec les alliages d'aluminium 6000 utilisés pour la carrosserie. Les alliages ont une faible oxydabilité à l'état liquide, une bonne facilité de recyclage et une faible perte au feu à la refusion des déchets. Exemples Exemple 1 : Effet de la composition sur les caractéristiques mécaniques statiques On a produit par coulée sous pression, avec assistance de vide (pression résiduelle dans le moule de 80 hPa), des plaques échantillons en 9 alliages différents A à 1, dont la composition est donnée au tableau 1. Les plaques étaient de format 120 x 220 mm et d'épaisseur 2,5 mm. La coulée a été faite sur une presse de 3200 kN de force de fermeture, avec une vitesse d'injection au piston de 0,7 m/s. La température du métal au four était de 780 C. Tableau 1 Alliage Si (%) Fe (%) Mn (%) Mg (%) Ti (%) Sr (ppm) A 2,85 0,12 0,67 0,11 0,15 220 B 2,90 0,12 0,68 0,16 0,15 205 C 2,85 0,13 0,67 0,2 10,15 185 D 4,90 0,13 0,68 0,09 0,16 290 E 4,90 0,13 0,68 0,14 0,16 250 F 4,90 0,13 0,68 0,21 0,16 210 G 6,90 0,14 0,66 0,09 0,17 236 H 6,95 0,14 0,66 0,14 0,17 195 I 6,95 0,14 0,67 0,20 0,17 192 Dans ces plaques non traitées thermiquement, on a usiné des éprouvettes de traction, et mesuré la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement RpO, 2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %). Les résultats (moyennes de 10 éprouvettes) sont repris au tableau 2 et sur les figures la, lob et 1 c. Tableau 2 Alliage Rm Rpo, 2 A A 206 88 20, 4 B 209 93 20, 7 C 212 96 19, 5 D 232 98 17, 1 E 239 106 15, 0 F 247 113 15, 8 G 255 107 12, 8 H 267 121 11, 5 l 278 127 12, 0 On constate que, pour des alliages entre 3 et 7% de silicium et entre 0,1 et 0,2% de magnésium, la résistance à la rupture et la limite élastique croissent avec la teneur en silicium, et l'allongement décroît. La limite élastique croît également avec la teneur en magnésium, alors que l'effet du magnésium sur l'allongement n'est pas significatif. Exemple 2 : effet de la vitesse de refroidissement On a coulé en coquille par gravité des éprouvettes usinées au diamètre 13,8 mm selon la norme NF A 57-102 dans des alliages à 7% de silicium et respectivement 0, 0,13 et 0,20% de magnésium, et on a comparé les caractéristiques mécaniques avec celles de l'exemple 1 pour les alliages G, H et 1. Les résultats sont repris au tableau 3 et à la figure 2. Tableau 3 Alliage Coulée Rm Rpo, 2 A G Sous pression 255 107 12,8 H Sous pression 287 121 11, 5 1 Sous pression 278 127 12, 0 G Coquille 164 57 22, 6 H Coquille 181 74 22, 0 1 Coquille 195 85 16, 4 On constate, pour les pièces coulées en coquille avec une vitesse de refroidissement beaucoup plus faible, la résistance à la rupture et la limite d'élasticité sont beaucoup plus faibles, surtout aux faibles teneurs en magnésium, et l'allongement plus élevé. Revendications 1. Alliage d'aluminium ductile destiné à la coulée sous pression de composition (% en poids) : Si : 2-6 Mg Cr (0, 1-0, 3), Co (0, 1-0, 3), V (0, 1-0, 3) ou Mo (0, 1-0, 4), et au moins un élément modificateur de l'eutectique, tel que Sr (50-500 ppm), Na (20-100 ppm) et Ca (30-120 ppm), autres éléments 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en silicium est comprise entre 3,5 et 5%. 3. Alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la teneur en magnésium est comprise entre 0,05 et 0,25%. 4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en titane est comprise entre 0,05 et 0, 15%. 5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en cuivre est inférieure à 0,10%. 6. Alliage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la teneur en fer est inférieure à 0,20%. 7. Alliage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en zinc est inférieure à 0,10%. 8. Alliage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,7 et 1, 5%. 9. Pièce de sécurité ou de structure coulée sous pression en alliage selon l'une des revendications 1 à 8, présentant, après un revenu T5 à une température inférieure à 220 C, une limite d'élasticité Rpo, 2 > 110 MPa et un allongement A > 10%.