Brevet FR2833616A1 — publié le 20030620

Pièce coulée sous pression en alliage d'aluminium à haute ductilité et résilience Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des alliages Al-Mg-Si 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 La nécessité d'alléger les véhicules a favorisé le développement croissant de pièces de sécurité moulées de forme complexe avec intégration de plusieurs fonctions et devant satisfaire aux différents tests de déformation utilisés par les constructeurs automobiles tels que le crash test ou le body-bloc , ainsi qu'aux exigences des diverses méthodes d'assemblage. 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. Le brevet EP 0792380 déposé en 1994 par Aluminium Rheinfelden, décrit l'utilisation pour le moulage à l'état semi-solide d'un alliage de composition (% en poids) : Mg : 3, 0-6, 0 Si : 1, 4-3, 5 Mn : 0, 5-2, 0 Fe La demande divisionnaire EP 0853133, issue de la demande du brevet précédent, concerne un alliage pour coulée sous pression de composition : Mg : 4, 6-5, 8 Si : 1, 8-2, 5 Mn : 0, 5-0, 9 Fe Le brevet US 5667602, déposé en 1995 par Alcoa, décrit un alliage pour coulée sous pression, destiné notamment aux noeuds de structure de carrosserie automobile de type space-frame , de composition : Si Mn : 0, 20-1, 60 Zr : 0, 10-0, 30. De bonnes propriétés mécaniques sont obtenues sans traitement thermique des pièces coulées. Le brevet US 6132531, déposé en 1997 également par Alcoa, concerne un alliage du même type, pour la même application, de composition : Si Par ailleurs, on a utilisé des alliages AlMgMn pour la fabrication de volants de voiture coulés sous pression. Le brevet DE 3827794 (Toyoda Gosei) concerne l'utilisation, pour un volant de forme particulière, d'une part d'un alliage de composition : Mg : 1, 5-2, 5 Si : 0, 2-0, 4 Fe : 0, 4-1, 0 Mn : 0, 4-0, 6 et d'autre part d'un alliage de composition : Mg : 1, 5-2, 4 Si La demande de brevet EP 1138794 (Corus Aluminium) décrit un alliage pour coulée sous pression de composition : Mg : 2, 7-6, 0 Si But et objet de l'invention L'invention a pour but de fournir des pièces de structure, de liaisons au sol et de sécurité pour l'automobile coulées sous pression, présentant à la fois une bonne résistance mécanique, une ductilité élevée et une grande capacité d'absorption d'énergie, une bonne résistance à la corrosion et une aptitude suffisante au moulage, tout en permettant une fabrication en grande série dans des conditions économiques acceptables. L'invention a pour objet une pièce, notamment une pièce de sécurité, de structure ou de liaison au sol d'un véhicule automobile, coulée sous pression en alliage d'aluminium de composition (% en poids) : Mg : 1,0-4, 5 Si : 0,2-1, 3 Cu 0,4), Co (0, 1-0, 4), V (0, 1-0, 4) et Mo (0, 1-0, 4), autres éléments 0,15 au total, le reste étant de l'aluminium. Les teneurs préférentielles sont les suivantes : Mg : 2, 0-4, 0 Si : 0, 4-1, 0 Cu L'invention a également pour objet une pièce coulée sous pression de la composition indiquée, présentant à l'état T5 (recuit à une température comprise entre 150 et 200 C) une limite d'élasticité de plus de 100 MPa et un allongement à la rupture de plus de 15%. Description de l'invention L'invention repose sur la constatation par la demanderesse qu'en abaissant la teneur en magnésium et en silicium par rapport aux alliages de l'art antérieur destinés à la fabrication de pièces de sécurité coulées sous pression, on peut obtenir un compromis intéressant de propriétés d'emploi, notamment entre la limite d'élasticité à l'état F (brut de fonderie) et la ductilité, tout en gardant une aptitude au moulage acceptable. La teneur en magnésium est d'au moins 1% pour que l'alliage soit coulable, et ne doit pas dépasser 4,5% si on veut avoir une ductilité élevée même à l'état T5, c'est-àdire à l'état recuit à une température comprise entre 100 et 200 C, correspondant à la température de cuisson des peintures d'un véhicule automobile. La teneur préférentielle est comprise entre 2 et 4%. La teneur en silicium est d'au moins 0,2% pour obtenir une résistance à la rupture et une limite d'élasticité suffisantes, tout en conservant une ductilité élevée. Elle est comprise, de préférence entre 0,4 et 1%. Le magnésium et le silicium se combinent pour former Mg2Si, qui se présente sous forme d'un eutectique très fin aux vitesses de solidification de la coulée sous pression. La présence, en quantité non négligeable, d'une fraction eutectique contribue à améliorer les propriétés de mise en oeuvre en diminuant la formation de criques à chaud. D'autre part, une certaine quantité de magnésium, du fait de la vitesse de refroidissement rapide dans le moule, reste dans la solution solide d'aluminium, qui se trouve ainsi sursaturée. La demanderesse a constaté que, pour une teneur donnée en silicium à l'intérieur des limites selon l'invention, l'allongement à la rupture augmente rapidement lorsque la teneur en magnésium diminue. Inversement, pour une teneur donnée en magnésium, une diminution de la teneur en silicium permet d'augmenter l'allongement à la rupture, tout en maintenant la limite d'élasticité au dessus de 100 MPa. Le cuivre doit être maintenu au dessous de 0,3%, et de préférence au dessous de 0,1%, pour obtenir une résistance suffisante à la corrosion atmosphérique et à la corrosion sous tension. Le fer, le manganèse, le chrome, le cobalt, le molybdène et le nickel forment, individuellement ou en combinaison avec l'aluminium, des composés intermétalliques qui sont fragilisants dans le cas de la coulée en sable ou de la coulée en coquille par gravité. Par contre, en coulée sous pression, compte tenu des vitesses de refroidissement dans le moule, ces composés sont de taille réduite et de morphologie telle que la résistance mécanique n'en est pas affectée. En revanche, la présence de ces éléments permet de limiter le collage des pièces dans le moule, en diminuant le potentiel chimique de l'alliage par rapport à l'acier du moule. Comme la teneur en fer a une influence défavorable sur l'allongement et doit être limité à 0,5%, et de préférence à 0,2%, la présence, en plus du fer, de l'un au moins des autres éléments mentionnés ci-dessus est indispensable. Un affinage soigné des grains primaires de la solution solide d'aluminium par un alliage-mère ou un sel contenant du titane ou du bore, par exemple un mélange de fluoborate et de fluotitanate de potassium, permet de supprimer presque complètement la tendance à la formation de criques à chaud, et contribue à diminuer la taille des microporosités résultant de la contraction pendant la solidification, ce qui améliore la compacité des pièces. L'alliage affiné contient alors entre 0,05 et 0,25% de titane et entre 10 et 30 ppm de bore résiduels. Les éléments alcalins, tels que le sodium, le calcium ou le strontium, doivent être maintenus à une teneur très basse, de préférence en dessous de 10 ppm, car ils ont une influence défavorable sur les caractéristiques mécaniques. Une addition de béryllium, limitée à 50, et de préférence à 30 ppm, est avantageuse pour limiter la tendance à l'oxydation des alliages à l'état liquide. Les pièces coulées sous pression, avec ou sans assistance de vide, sont utilisées de préférence à l'état brut de fonderie, pour éviter les déformations à la trempe et un redressage ultérieur coûteux. Ils sont peu sensibles au recuit résultant de la cuisson des peintures pratiquée dans l'industrie automobile. Ce traitement a typiquement une durée comprise entre 15 mn et 1 h, à une température comprise entre 150 et 200 C. Les pièces selon l'invention présentent, à l'état F ou à l'état T5, une limite d'élasticité toujours supérieure à 100 MPa, voire à 120 MPa, et un allongement supérieur à 15%, ce qui favorise la capacité d'absorption d'énergie aux chocs, et rend possible l'application de techniques d'assemblage nécessitant une grande ductilité, comme le sertissage ou le rivetage. La réduction de la teneur en magnésium par rapport aux alliages de l'art antérieur destinés à des pièces similaires favorise l'aptitude au soudage TIG, Mig ou laser, et une excellente compatibilité avec les alliages d'aluminium de la série 6000 utilisés pour les tôles de carrosserie. Exemples Exemple 1 On a étudié l'influence de la composition et du rapport Mg/Si sur les caractéristiques mécaniques statiques des pièces coulées sous pression. 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 I, 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 Mg Ti Mg/Si A 0,3 0,12 3 0,15 10 B 0,3 0,12 4 0,15 13,3 C 0,3 0,12 5 0,15 16,2 D 0,8 0,12 3 0,15 3,7 E 0,8 0,12 4 0,15 5 F 0,8 0,12 5 0,15 6,2 G 1,4 0,12 3 0,15 2,1 H 1,4 0,12 4 0,15 2,8 I 1,4 0,12 5 0,15 3,6 Dans ces plaques non traitées thermiquement, on a usiné des éprouvettes de traction, prélevées dans des zones ne présentant aucun défaut visible en radiographie, et on a 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. Tableau 2 alliage Rm Rpo, 2 A moyen A maxi A 240 124 20, 9 25, 3 B 266 140 21, 2 26, 4 C 270 154 9, 6 15, 7 D 242 128 15, 8 20, 7 E 269 143 15, 3 20, 3 F 277 158 9, 3 16, 1 G 263 163 7, 8 12, 9 H 273 146 12,6 20, 3 1 287 158 9, 8 15, 6 1 Les résultats montrent que, pour les alliages à 3 et 4% Mg, l'allongement augmente de manière significative lorsque la teneur en Si diminue de 1,4 à 0,3%. Cette tendance ne se prolonge pas pour les alliages à 5% Mg, pour lesquelles l'allongement reste voisin de 10%. Pour une teneur en Si de 1,4%, les alliages à 3,4 ou 5% Mg conduisent à des valeurs voisines pour Rm, Rpo, 2 et A. Pour des teneurs en Si de moins de 1%, les alliages à 3 et 4% Mg conduisent à une limite d'élasticité supérieure à 120 MPa et un allongement supérieur à 15% Exemple 2 On a étudié l'effet sur la dureté des pièces d'un traitement de cuisson des peintures par rapport à l'état brut de coulée et vieilli naturellement à la température ambiante. Sur des éprouvettes de traction similaires à celles de l'exemple 1, on a mesuré, pour les alliages B, D, E et H, la dureté Hv 5/30 à l'état vieilli naturellement et à l'état T5 après un recuit de 20 mn à 190 C. Les résultats sont indiqués au tableau 3 : Tableau 3 Alliage Etat brut vieilli Etat T5 B 80, 8 80, 8 D 80, 8 82, 4 E 84, 0 84, 4 H 88, 4 89, 6 On constate que le traitement T5 conduit à une légère augmentation de la dureté pour les alliages dont le rapport Mg/Si est faible, et un maintien de la dureté pour ceux dont le rapport Mg/Si est plus élevé. On a étudié par ailleurs l'effet sur les caractéristiques mécaniques de l'alliage A avec 0,5% Mn de la durée du traitement en les comparant à l'état F et à deux états T5, l'un avec un recuit de 20 mn, l'autre de 60 mn à 190 C. Les résultats sont indiqués au tableau 4 : Tableau 4 Etat Rm (MPa) Rpo, 2 (MPa) A (%) F 246 129 22, 2 20 mn 1900C 244 125 20, 2 60mn 190 C 249 141 20, 4 On constate que ce type de traitement n'affecte pratiquement pas les caractéristiques mécaniques, ce qui est un avantage, car les propriétés d'absorption d'énergie pour les pièces de sécurité à haute capacité de déformation sont conservées dans les assemblages. D'autre part, les cotes usinées des pièces ne risquent pas d'être modifiées par ce traitement. Revendications 1. Pièce, notamment pièce de sécurité, de structure ou de liaison au sol d'un véhicule automobile, coulée sous pression en alliage d'aluminium de composition (% en poids) : Mg : 1, 0-4, 5 Si : 0, 2-1, 3 Cu 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en Mg est comprise entre 2, 0 et 4, 0%. 3. Pièce selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en Si est comprise entre 0, 4 et 1, 0% 4. Pièce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en Cu est inférieure à 0, 10%. 5. Pièce selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en Fe est inférieure à 0, 2%. 6. Pièce selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en Ti est comprise entre 0, 05 et 0, 25%. 7. Pièce selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'alliage contient Be à une teneur inférieure à 50 ppm. 8. Pièce selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle présente à l'état T5 (recuit à une température comprise entre 150 et 200 C) une limite d'élasticité de plus de 100 MPa et un allongement à la rupture de plus de 15%.