Brevet FR2859484A1 — publié le 20050311

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 pistons de moteurs à combustion interne, et plus particulièrement de moteurs turbo-chargés à essence ou diesel. Etat de la technique Dans la fabrication des pistons de moteurs, on utilise habituellement des alliages d'aluminium contenant à forte teneur en silicium (10 à 24%) pour faciliter leur aptitude au moulage et leur conférer une bonne résistance à l'usure. Pour permettre un durcissement structural, leur composition comporte systématiquement une addition des éléments durcissants magnésium et cuivre qui sont solubles à haute température, mais peu solubles à la température ambiante. Cette double addition confère à l'alliage, par un traitement thermique complet à l'état T6 ou T7, ou un simple revenu à l'état T5, une bonne résistance mécanique à la température ambiante. Les teneurs typiques en magnésium se situent entre 0,3 et 1.5% et celles en cuivre entre 0,3 et 5%. Il est connu également d'ajouter des éléments moins solubles tels que le nickel entre 0.5 et 4%, le cobalt, le zirconium, le vanadium, voire l'argent, pour tenter d'améliorer les propriétés mécaniques à chaud. Les alliages les plus courants sont l'A-S12UNG et l'A-S12U3-5N3G. 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. La demande de brevet JP 2002-249840 (Toyota) décrit plusieurs types d'alliages pour pistons contenant de 11 à 15% Si, de 2 à 3,5% Cu, de 0,5 à 3% Ni, jusqu'à 0,3% V et jusqu'à 1% Mn. La teneur en Mg peut être soit inférieure à 0,2%, soit comprise entre 0,5 et 2% selon les cas. La pièce moulée présente une structure hyper eutectique contrôlée dans la quelle le rapport entre la taille de grain et l'espace interdendritique ( dendrite arm spacing ou DAS) est inférieur à 25. Le but de la présente invention est d'améliorer encore la résistance mécanique et la tenue au fluage, dans le domaine de température 230-380 C, de pièces soumises localement à de hautes températures, en particulier les pistons de moteurs à combustion interne, notamment des moteurs turbochargés et HDI. Objet de l'invention L'invention a pour objet une pièce moulée à haute résistance mécanique à chaud et 15 haute résistance au fluage dans le domaine de température 230-380 C, et notamment un piston de moteur, 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 (3' (3 " 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 15 différents entre les propriétés mécaniques à chaud et la ductilité. Comme la plus grande partie des alliages destinés à la fabrication des pistons 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 contient, comme de nombreux alliages pour pistons, du nickel et éventuellement du cobalt qui contribuent à la résistance à chaud. Il 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 10 mécanique entre 250 C et 380 C, mais cet effet plafonne audelà d'une teneur de 0,5%. Contrairement aux alliages pour pistons 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 Al-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, 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 5 deux alliages différents ( dual casting ). Le traitement thermique comporte une mise en solution typiquement de 15 mn 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). Si, pour des raisons particulières, on souhaite éviter une globulisation trop poussée du réseau de silicium eutectique, on peut effectuer la mise en solution à une température plus faible, entre 490 et 515 C. Les pièces selon l'invention, et notamment les pistons de moteurs d'automobile ou d'avion, 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. A contrario, les performances mécaniques à température ambiante ou modérée sont légèrement inférieures à celles des alliages Al-Si-Cu-Mg. Exemple On a élaboré dans le creuset en carbure de silicium d'un four électrique 100 kg de 4 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 Si Fe Cu Mn Mg Ni Co Zr V Ti A 11,72 0,64 4,01 0,21 0,92 2,56 - 0,11 0, 085 0,11 B 11,44 0,61 3,98 0,20 t o Les résultats sont indiqués au tableau 2: Tableau 2 alliage Température MES Dureté HB A 500 C 91 B 500 C 96 B 530 C 95 C 500 C 100 D 500 C 95 D 530 C 94 On constate que les éprouvettes des alliages B, C et D selon l'invention présentent une dureté supérieure à celle de l'alliage A au magnésium de l'art antérieur. Revendications 1. Pièce moulée à haute résistance au fluage en alliage de composition (% en poids) : Mg 2. Pièce moulée selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en magnésium est inférieure à 0,03%. 3. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la 25 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 fer est inférieure à 0,3%. 5. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en zinc est inférieure à 0,1 % 6. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en zirconium est comprise entre 0,12 et 0,20%. 7. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la teneur 5 en titane est comprise entre 0,08 et 0,20%. 8. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la teneur en vanadium est comprise entre 0,04 et 0,20%. 9. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,15 et 0,40%. 10. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est un insert pour partie chaude d'une pièce moulée. 11. Pièce moulée selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est un piston de moteur à combustion interne.