Brevet FR2857378A1 — publié le 20050114

Pièce moulée en alliage d'aluminium à haute résistance à chaud 5 Domaine de l'invention L'invention concerne les pièces moulées en alliage d'aluminium soumises à des contraintes thermiques et mécaniques élevées, notamment les culasses de moteurs à combustion interne, et plus particulièrement de moteurs turbo-chargés à essence ou diesel. Etat de la technique Dans la fabrication des culasses de moteurs, on utilise habituellement deux familles 15 d'alliages d'aluminium: 1) les alliages contenant de 5 à 9% de silicium, de 3 à 4% de cuivre et du magnésium. 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 impuretés, notamment en manganèse, zinc, plomb, étain ou nickel, assez élevées. Ces alliages sont généralement utilisés sans traitement thermique (état F) ou simplement stabilisés (état T5). Ils sont plutôt destinés à la fabrication de culasses de moteurs à essence assez peu sollicités thermiquement. Pour les pièces plus sollicitées destinées aux moteurs diesel ou turbo-diesel, on utilise des alliages de première fusion, avec une teneur en fer inférieure à 0,3%, traités thermiquement à l'état T6 (revenu au pic de résistance mécanique) ou T7 (sur-revenu). 2) les alliages de première fusion contenant de 7 à 10% de silicium et du magnésium, traités à l'état T6 ou T7, pour les pièces les plus sollicitées comme celles destinées aux moteurs turbo-diesel. Ces deux grandes familles d'alliages conduisent à des compromis différents entre les diverses propriétés d'emploi: résistance mécanique, ductilité, tenue au fluage et à la fatigue. Cette problématique a été décrite par exemple dans l'article de R. Chuimert et M. Garat: Choix d'alliages d'aluminium de moulage pour culasses Diesel fortement sollicitées , paru dans la Revue SIA de mars 1990. Cet article résume ainsi les propriétés de 3 alliages étudiés: - Al-Si5Cu3MgFe0,15 T7: bonne résistance bonne ductilité - Al-Si5Cu3MgFe0,7 F: bonne résistance faible ductilité Al-Si7Mg0,3Fe0,15 T6: faible résistance extrême ductilité La première et la troisième combinaison alliage-état peuvent être utilisées pour les culasses fortement sollicitées. Cependant, on a continué à rechercher un compromis amélioré entre résistance et ductilité. Le brevet FR 2690927 au nom de la demanderesse, déposé en 1992, décrit des alliages d'aluminium résistant au fluage contenant de 4 à 23% de silicium, au moins l'un des éléments magnésium (0,1 1%), cuivre (0,3 4,5%) et nickel (0,2 3%), et de 0,1 à 0,2% de titane, de 0,1 à 0,2% de zirconium et de 0,2 à 0,4% de vanadium. On observe une amélioration de la tenue au fluage à 300 C sans perte notable de l'allongement mesuré à 250 C. L'article de F. J. Feikus Optimization of Al-Si cast alloys for cylinder head applications AFS Transactions 98-61, pp. 225-231, étudie l'ajout de 0,5% et 1% de cuivre à un alliage AlSi7Mg0,3 pour la fabrication de culasses de moteur à combustion interne. Après un traitement T6 classique comportant une mise en solution de 5 h à 525 C, suivi d'une trempe à l'eau froide et d'un revenu de 4 h à 165 C, il n'observe aucun gain en limite d'élasticité, ni en dureté à température ambiante, mais à des températures d'utilisation au-delà de 150 C, l'ajout de cuivre apporte un gain significatif de limite d'élasticité et de résistance au fluage. La demande de brevet 02-07873, déposée le 25/06/2002 par la demanderesse, décrit une pièce moulée à haute résistance au fluage, notamment une culasse ou un carter de moteur, en alliage de la composition (% en poids) : Si: 5 11 et de préférence 6,5 7,5 Fe Objet de l'invention L'invention a pour objet une pièce moulée à haute résistance mécanique à chaud et haute résistance au fluage dans le domaine de température 230-380 C, en alliage d'aluminium de composition (% en poids) : Mg Description de l'invention L'invention repose sur la constatation par la demanderesse qu'il est possible d'obtenir des propriétés de tenue à chaud, notamment entre 230 C et 380 C, nettement améliorées par rapport aux alliages existants sans perte de ductilité, en associant dans un alliage de moulage de type Al-Si un durcissement structural basé sur une addition de 2 à 5% de cuivre sans magnésium, et une addition de 0.05 à 0.25% de zirconium. Les inventeurs émettent l'hypothèse que les bonnes propriétés mécaniques à chaud des pièces traitées thermiquement résultent d'une microstructure comportant simultanément des phases de dispersoïdes au zirconium formées au cours de la mise en solution et de phases métastables au cuivre 0' 0" dérivées du système de précipitation Al2Cu. Ces phases sont plus stables à chaud que les phases binaires R'p " à base de Mg2Si et les phases quaternaires ?'X" AlCuMgSi, qui se forment au revenu en présence de magnésium. Par le choix de la teneur en cuivre, il est possible d'accéder à des compromis différents entre les propriétés mécaniques à chaud et la ductilité. Ainsi, il est possible avec les alliages selon l'invention d'obtenir une ductilité aussi bonne que celle d'alliages très ductiles comme l'A-S7G, en limitant la teneur en cuivre au bas de l'intervalle 2 5%. Comme la plus grande partie des alliages destinés à la fabrication des culasses de moteurs, le fer est maintenu en dessous de 0,9%, ce qui veut dire qu'il peut s'agir d'alliages de première ou de deuxième fusion; cette limite peut être abaissée en dessous de 0.3% (première fusion), et de préférence en dessous de 0,2% lorsqu'on souhaite un allongement à la rupture élevé. L'alliage doit contenir du zirconium à une teneur comprise entre 0,05 et 0,25%, et de préférence à une teneur comprise entre 0,12 et 0,20% pour obtenir une teneur optimale de dispersoïdes après traitement thermique. La teneur en titane est maintenue entre 0,03 et 0,25%, ce qui est assez habituel pour ce type d'alliage. Le titane contribue à l'affinage du grain primaire lors de la solidification, mais, dans le cas des alliages selon l'invention, il contribue aussi, en liaison avec le zirconium, à la formation, lors de la mise en solution de la pièce moulée, de dispersoïdes très fins ( L'alliage peut comporter également du vanadium à une teneur comprise entre 0,02 et 0,30%, et de préférence entre 0,04 et 0,20%, ainsi que d'autres éléments péritectiques, tels que le hafnium, le niobium, le tantale, le chrome, le molybdène ou le tungstène, à une teneur comprise entre 0,03 et 0,30%. Ces éléments, du fait de leur courbe de solubilité et de leur faible coefficient de diffusion dans l'aluminium, forment également à la mise en solution des dispersoïdes stables à haute température. A une teneur de plus de 0,1%, le manganèse a un effet positif sur la résistance mécanique entre 250 C et 380 C, mais cet effet plafonne audelà d'une teneur de 0,5%. Contrairement aux alliages pour culasses où la présence de magnésium est habituellement souhaitée ou admise, les alliages des pièces selon l'invention ont une température de solidus et une température de brûlure supérieures à 507 C. Elles peuvent de ce fait être traitées thermiquement à l'état T6 ou T7 avec une température de mise en solution comprise entre 515 et 525 C selon la teneur en cuivre, et ce sans précaution particulière, c'est-à-dire sans nécessité d'une montée en température lente ou d'un palier intermédiaire, alors que les alliages du même type à plus de 0,2% de magnésium forment un eutectique quaternaire invariant avec le risque d'une brûlure à 507 C. La possibilité d'effectuer un traitement thermique à plus de 515 C présente plusieurs avantages: on peut obtenir une homogénéisation plus poussée des phases au cuivre, une meilleure globulisation des phases au silicium et une précipitation plus complète des phases au zirconium et autres éléments péritectiques. Enfin, un autre intérêt de ce type de composition est leur moindre sensibilité à la vitesse de trempe après mise en solution que les alliages type Al-Si-Mg et les AI-Si-Cu-Mg. En effet, bien que trempables à l'eau selon les techniques usuelles, ces alliages offrent des possibilités accrues de trempe adoucie (eau pulvérisée, trempe en lit fluidisé, trempe par air pulsé) avec des pertes relatives de propriétés mécaniques très inférieures à celles des alliages traditionnels avec magnésium. Les pièces sont fabriquées par les procédés habituels de moulage, notamment le moulage en coquille par gravité et le moulage basse pression pour les culasses, mais également le moulage au sable, le squeeze casting (en particulier dans le cas d'insertion de composites) et le moulage à mousse perdue (lost foam). Ces pièces peuvent également être utilisées comme inserts pour les parties chaudes d'une pièce en alliage traditionnel, ou pour les parties chaudes de pièces réalisées en deux alliages différents ( dual casting ) . Le traitement thermique comporte une mise en solution typiquement de 1 à 10 h à une température comprise entre 515 et 525 C, une trempe de préférence à l'eau froide ou une trempe adoucie, et un revenu de 0,5 à. 10 h à une température comprise entre 150 et 250 C. La température et la durée du revenu sont ajustées de manière à obtenir, soit un revenu au pic de résistance mécanique (T6), soit un sur-revenu (T7) fréquemment utilisé pour les culasses de moteurs. Les pièces selon l'invention, et notamment les culasses de moteurs d'automobile ou d'avion, les carters, volutes et autres équipements pour l'aéronautique soumis à des températures élevées, présentent une excellente résistance mécanique à chaud, une résistance au fluage supérieure à celles des pièces de l'art antérieur dans le domaine de température 230-380 C, et peuvent, en cas de limitation de la teneur en cuivre, présenter une excellente ductilité. A contrario, les performances mécaniques à température ambiante ou modérée sont légèrement inférieures à celles des alliages AI-Si-Cu-Mg. Exemple On a élaboré dans le creuset en carbure de silicium d'un four électrique 100 kg de 10 alliages dont la composition (poids %) est indiquée au tableau 1. Ces compositions ont été mesurées par spectrométrie d'émission par étincelle, sauf pour le cuivre et le zirconium, qui ont été mesurés par spectrométrie d'émission à plasma induit. Tableau 1 alliage Si Fe Cu Mg Mn Zr V Ti 1 5 0,15 3,1 0,30 0,10 2 5 0,15 3,1 0,30 0,14 0,25 0,10 3 7 0,15 0;30 0,10 4 7 0,15 0,30 0,12 0,14 0,15 0,10 7 0,15 0,5 0,38 0,10 6 7 0,15 0,5 0,38 0,14 0,10 7 5 0,15 4,1 A partir de ces éprouvettes, on a usiné des éprouvettes de traction et des éprouvettes de fluage de manière à mesurer les caractéristiques mécaniques (résistance à la rupture Rm en MPa, limite d'élasticité Rpo,2 en MPa et allongement à la rupture A en %) à la température ambiante, à 250 C et à 300 C. Les résultats sont indiqués au tableau 2: Tableau 2 20 C 250 C 300 C Alliage Rn, Rpo,2 A Rm Rpo,2 A Rm Rpo,2 A 1 358 311 2,5 111 92 16 62 47 30 3 299 257 9,9 61 55 35 43 40 34 4 294 255 9,7 62 56 35 43 41 34 327 275 9,8 73 66 35 44 40 35 6 324 270 9,8 68 63 35 45 42 35 7 367 287 1,9 126 103 16 72 63 23 8 313 165 12,3 100 80 33 64 54 34 9 281 140 15,3 94 75 37 60 51 44 mise en solution 10h 495 C, trempe eau froide, revenu 4h 1, 2 210 C 3, 4 mise en solution 10h 540 C trempe eau froide 24h attente -revenu 4h 210 C mise en solution 4h 500 C+ 10h540 C, trempe eau froide, 24h attente, -revenu 4h 5-6 210 C 7, 8, 9 mise en solution 10h 515 C trempe eau froide revenu 4h 210 C 7 bis mise en solution 10h 495 C trempe eau froide revenu 4h 210 C Contrairement aux alliages classiques 1 et 2 au cuivre et avec magnésium, dont le traitement thermique ne peut être réalisé qu'à des températures de l'ordre de 495 C du fait des risques de brûlure à 507 C, les alliages 7, 8 et 9 selon l'invention avec cuivre sans magnésium et contenant du zirconium ont pu être traités avec une mise en solution à 515 C. Pour ces alliages 7 à 9, les résultats montrent des niveaux de limite élastique et de résistance à la rupture à 250 C et 300 C très nettement supérieurs à ceux des alliages 1 et 2 de l'art antérieur. Ainsi, la limite élastique des éprouvettes en alliages 7 à 9 dépasse 50 MPa, alors que celle des éprouvettes en alliages 1 à 6 sont très en deçà de ce niveau. On met en évidence les mêmes effets dans les résultats des essais de fluage à 250 et 300 C à l'aide du coefficient 60.1% look représentant la contrainte (en MPa) conduisant à une déformation de 0,1% après 100 h d'exposition à ces températures. Les résultats sont indiqués au tableau 3. Tableau 3 Alliage 6 250 C 6 300 C 1 60 26 2 61 28 3 39 22 4 40 24 39 22 6 41 22 7 53 32 7 bis 29 L'essai de fluage à 300 C sur l'éprouvette 7 a donné une résistance au fluage de 32 15 MPa, nettement supérieure à celle mesurée sur les éprouvettes en alliages 1 à 6 contenant du magnésium. On constate qu'à traitement thermique identique à 495 C, l'éprouvette 7 bis conduit à une résistance au fluage de 29 MPa, soit un niveau déjà légèrement supérieur à celui des alliages 1 et 2 avec magnésium, contenant ou non du zirconium. Le traitement thermique à 515 C sur l'éprouvette 7 permet une augmentation supplémentaire de 3 MPa. Enfin, outre les excellents niveaux de résistance à chaud, les résultats de l'éprouvette 8 indiquent qu'on accède, avec une teneur en cuivre de l'ordre de 3%, à des valeurs élevées d'allongement à la rupture, du même niveau et même parfois meilleures que celles obtenues avec les alliages au magnésium les plus ductiles 3 à 6. A ductilité égale, les éprouvettes selon l'invention présentent une augmentation de la limite d'élasticité Rpo,2 d'environ 20% à 250 C et 30% à 300 C. io Revendications Mg 3. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en cuivre est comprise entre 3 et 4%. 4. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en nickel est inférieure à 0,1 % 5. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur 30 en fer est inférieure à 0,3%. 6. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en zinc est inférieure à cm % 1. Pièce moulée à haute résistance au fluage en alliage de composition (% en poids) : éventuellement: V: 0.02-0.30 Mn: 0,1 0,5 Hf, Nb, Ta, Cr, Mo et/ou W: 0, 03 0,30 autres éléments 7. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la teneur en zirconium est comprise entre 0,12 et 0,20%. 8. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la teneur en titane est comprise entre 0,08 et 0,20%. 9. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la teneur en vanadium est comprise entre 0,04 et 0,20%. 10. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,15 et 0,40%. 11. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle est 15 un insert pour partie chaude d'une pièce moulée. 12. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle est une culasse de moteur à combustion interne.