Brevet FR2841164A1 — publié le 20031226

- 2841 164 Piece moulee en alliage d'aluminium a haute resistance au fluage Domaine de ['invention L'invention concerne les pieces moulees en alliage d'aluminium soumises a des contraintes thermiques et mecaniques elevees, notamment les culasses et les carters de moteurs a combusti on interne, et plus particulierement de moteurs turbo charges a 0 essence ou diesel. On trouve egalement, en dehors de ['automobile des pieces soumises aux memes types de contraintes, par exemple dans le domaine de la mecanique ou de l'aeronautique. Etat de la technique Dans la fabrication des culasses de moteurs, on utilise habituellement deux families d'alliages d'aluminium: l) les alliages contenant de 5 a 9% de silicium, de 3 a 4% de cuivre et du magnesium. Il s'agit le plus souvent d'alliages de seconde fusion, avec des teneurs en fer comprises entre 0,5 et 1%, et des teneurs en impuretes, notamment en manganese, zinc, plomb, etain ou nickel, assez elevees. Ces alliages vent generalement utilises sans traitement thermique (etat F) ou simplement stabilises (etat T5). Ils vent plutot destines a la fabrication de culasses de moteurs a essence assez peu soll i cites thermiquement. Pour les pieces plus so llicitees destinees aux 2s moteurs diesel ou turbo-diesel, on utilise des alliages de premiere fusion, avec une teneur en fer inferieure a 0,3%, traites thermiquement a l'etat T6 (revenu au pic de resistance mecanique) ou T7 (sur-revenu). 2) Les alliages de premiere fusion contenant de 7 a l 0% de silicium et du magnesium, traites a l'etat T6 ou T7, pour les pieces les plus sollicitees comme celles destinees aux moteurs turbo-diesel. Ces deux grandes families d'alliages conduisent a des compromis differents entre les diverges proprietes d'emploi: resistance mecanique, ductilite, tenue au fluage et a la fatigue. Cette problematique a ete decrite par exemple dans ['article de R. Chuimert 28411 64 et M. Garat: >, paw dans la Revue SIA de mars 1990. Cet article resume ainsi les proprietes de 3 alliages etudies: - AlSi5Cu3MgFeO,15 T7: bonne resistance - bonne ductilite s - Al-SiSCu3MgFeO, 7 F: bonne resistance - faible ductilite - Al-Si7MgO,3FeO,15 T6: faible resistance- extreme ductilite La premiere et la troisieme combinaison alliage-etat peuvent etre utilisees pour les culasses fortement sollicitees. Cependant, on a continue a rechercher un compromis ameliore entre resistance et ductilite. Le brevet FR 2690927 au nom de la o demanderesse, depose en 1992, decrit des alliages d'aluminium resistant au fluage contenant de 4 a 23% de silicium, au moins l'un des elements magnesium (0,1 1%), cuivre (0,3 - 4,5%) et nickel (0,2 - 3%), et de 0,1 a 0,2% de titane, de 0,1 a 0,2% de zirconium et de 0,2 a 0,4% de vanadium. On observe une amelioration de la tenue au fluage a 300 C sans perte notable de l'allongement mesure a 250 C. L'article de F. J. Feikus > AFS Transactions 98-61, pp. 225-231, etudie l'ajout de 0,5% et 1% de cuivre a un alliage AlSi7MgO,3 pour la fabrication de culasses de moteurs a combustion interne. Apres un traitement T6 classique comportant une mise en solution de 5 h a 525 C, suivi d'une trempe a l'eau froide et d'un revenu de 4 h a 165 C, il n'observe aucun gain en limite d'elasticite, ni en durete a temperature ambiante, mais a des temperatures d'utilisation au dela de 150 C, l'ajout de cuivre apporte un gain significatif de limite d'elasticite et de resistance au fluage. Le brevet EP 1057900 (VAW Aluminium), depose en 1999, est un developpement dans la meme vole et decrit l'ajout a un alliage Al-Si7MgO, 3Cu0,35 de quantites 2s etroitement controlees de fer (0,35 - 0,45%), de manganese (0,25 - 0,30%), de nickel (0,45 - 0,55%), de zinc (0,10 - 0,15) et de titane (0,11 - 0,15%). Cet alliage presente aux etats T6 et T7 une bonne resistance au fluage, une conductivite thermique elevee, une ductilite satisfaisante et une bonne tenue a la corrosion. Le but de la presente invention est d'ameliorer encore la resistance au fluage des pieces moulees en alliages du type AlSiCuMg dans le domaine de temperature 250 300 C, sans degrader leur ductilite, et en evitant la multiplication des elements d'addition qui peuvent poser probleme au recyclage. 28411 64 Objet de ['invention L'objet de ['invention est une piece moulee a haute resistance au fluage en alliage de composition (% en poids): Si: 5 - 11 et de preference 6,5 - 7,5 Fe autres elements La piece est. de preference, traitee par mise en solution, trempe et revenu a l'etat T6 ou T7. Description de ['invention L' invention repose sur la constatation par la demanderesse qu' en aj outant une faible quantite de zirconium a un alliage au silicium contenant moins de 1,2% de cuivre et moins de 0,6% de magnesium, on pouvait obtenir, sur des pieces moulees traitees a ltetat T6 ou T7, une bonne resistance au fluage dans le domaine 250-300 C, sans perte de ductilite. Ce resultat est obtenu sans avoir a utiliser des elements comme le nickel ou le vanadium qui posent des problemes au recyclage. De plus, le nickel a ['inconvenient de reduire la ductilite de la piece. Comme la plus grande partie des alliages destines a la fabrication des culasses de moteurs, l'alliage contient de 5 a 11% de silicium, et de preference de 6,5 a 7,5%. Le fer est maintenu en dessous de 0,4%, et de preference en dessous de 0,2%, ce qui veut dire qutil s'agit plutot d'un alliage de premiere fusion. Le magnesium, a une teneur centree autour de 0,3%, est egalement un element d'addition habitue! des alliages pour culasses. 28411 64 L'addition de 0,3 a 1,2%, et de preference de 0,4 a 0,6%, de cuivre permet d'ameliorer la resistance mecanique sans affecter la resistance a la corrosion. De plus, la demanderesse a constate que, dans ces limites, la ductilite et la resistance au fluage des pieces a ltetat T6 ou T7 n'etaient pas abaissees. La teneur en titane est maintenue entre 0,05 et 0,25%, ce qui est assez habitue! pour ce type d'alliage. Le titane conkibue a l'affinage du grain primaire lors de la solidification, mats, dans le cas des alliages selon ['invention, il contribue aussi, en liaison avec le zirconium, a la formation, lors de la mise en solution de la piece moulee, de dispersodes tres fins ( AlCuMgSi, Mg2Si et Al2Cu qui coalescent a partir de 1 50 C. Ces phases de dispersodes ne vent pas fragilisantes contrairement aux phases au fer AlSiFe et AlSiMnFe de taille importante (20 a 100 m), ainsi qu'aux phases au nickel, qui se forment a la coulee dans les espaces interdendritiques. Les pieces vent fabriquees par les procedes habituels de moulage, notamment le moulage en coquille par gravite et le moulage basse pression, mais egalement le moulage au sable, le squeeze casting (en particulier dans le cas dtinsertion de composites) et la moulage a mousse perdue (lost foam). Le traitement thermique comporte une mise en solution typiquement de 3 a 10 h a une temperature comprise entre 500 et 545 C, une trempe de preference a l'eau froide, une attente entre kempe et revenu de 4 a 16 h, et un revenu de 4 a 10 h a une temperature comprise entre 150 et 240 C. La temperature et la duree du revenu vent ajustees de maniere a obtenir, soit un revenu au pic de resistance mecanique (T6), soit un sur-revenu (T7). 2s Les pieces selon l' invention, et notamment les culasses et les carters de moteur d'automobile ou d'avion, presentent a la fois une resistance mecanique elevee, une bonne ductilite, et une resistance au fluage superieure a celle des pieces de l'art anterieur. Exemple On a elabore dans le creuset en carbure de silicium d'un four electrique 100 kg d'alliage A de composition (% en poids): 28411 64 Si = 7,10 Fe = 0,15 Mg = 0,37 Ti = 0,14 Sr = 170 ppm kg d'alliage B de meme composition avec une addition complementaire de 0,49% de cuivre kg d'alliage C de meme composition que B avec une addition complementaire s de 0,14% de zirconium. Ces compositions ont ete mesurees par spectrometrie d' emission par etincelle, sauf pour Cu et Zr qui ont ete mesures par spectrometrie d'emission a plasma induit. On a coule 50 eprouvettes coquille de traction AFNOR de chaque alliage. Ces eprouvettes ont ete soumises a un traitement thermique comportant une mise en solution de 10 h a 540 C, precedee pour les alliages au cuivre B et C d'un palier de 4 h a 500 C pour eviter la brulure, une trempe a l'eau froide, une maturation a la temperature ambiante de 24 h et un revenu de 5 h a 200 C. A partir de ces eprouvettes, on a usine des eprouvettes de traction et des eprouvettes de fluage de maniere a mesurer les caracteristiques mecaniques (resistance a la rupture Rm en MPa, limite d'elasticite Rpo,2 en MPa et allongement a la rupture A en %) a la temperature ambiante, a 250 C et a 300 C. Les resultats vent indiques au tableau 1: Tableau 1 Rm Rp0,2 A Rm Rp0,2 A Rm Rpo 2 A Temp. Amb. Amb. Amb. 250 C 250 C 250 C 300 C 300 C 300 C A 299 257 9,9 61 55 34,5 43 40 34,5 B 327 275 9,8 73 66 34,5 44 40 34,6 C 324 270 9,8 68 63 34,5 45 42 35,0 On constate que ['addition de cuivre a l'alliage A est favorable a la resistance mecanique, aussi bien a froid qu'a chaud, sans modifier l'allongement, et que ['addition de zirconium a B est pratiquement sans influence sur les caracteristiques mecaniques. On a mesure ensuite sur les eprouvettes de fluage, pour les alliages B et C, l'allongement (en %) apres 100 h a 250 C et 300 C sous differents niveaux de contrainte (en MPa). Les resultats vent indiques au tableau 2: 28411 64 Tableau 2 Temperature ( C) 250 250 300 Contrainte (MPa) 45 40 22 A (%) alliage B 2, 43 0,134 0,136 A(%) alliage C 0,609 0,079 0,084 s On constate qu'a temperature et contrainte identiques, l'alliage C avec addition de zirconium presente un comportement au fluage nettement ameliore, la deformation sons charge constants etant reduite, selon le cas, de 40 a 75%.. 28411 64 Revendications I. Piece moulee a haute resistance au fluage en alliage de composition (% en poids): Si: 5 - 1 1 Fe autres elements 2. Piece selon la revendication 1, caracterisee en ce que sa teneur en silicium est comprise entre 6,5 et 7,5%. 3. Piece selon l'une des revendications 1 ou 2, caracterisee en ce que sa teneur en fer est inferieure a 0,2%. 4. Piece selon l'une des revendications 1 a 3, caracterisee en ce que sa teneur en magnesium est comprise entre 0,25 et 0,4%. 5. Piece selon l'une des revendications 1 a 4, caracterisee en ce que sa teneur en cuivre est comprise entre 0,4 et 0,6%. 6. Piece selon l'une des revendications 1 a 5, caracterisee en ce que sa teneur en titane est comprise entre 0,08 et 0,20%. 7. Piece selon l'une des revendications 1 a 6, caracterisee en ce que sa teneur en zirconium est comprise entre 0,12 et 0,18%. 28411 64 8. Piece selon l'une des revendications 1 a 7, caracterisee en ce que sa teneur en manganese est inferieure a O,1%. 9. Piece selon l'une des revendications 1 a 8, caracterisee en ce que sa teneur en zinc est inferieure a 0,1%. 10. Piece selon l'une des revendications 1 a 9, caracterisee en ce que sa teneur en nickel est inferieure a 0,1%. 11. Piece selon l'une des revendications 1 a 10, caracterisee en ce qu'elle est traitee par mise en solution, trempe et revenu a l'etat T6 ou T7. 12. Piece selon l'une des revendications 1 a 11, caracterisee en ce qu'elle est une