Brevet FR2864459A1 — publié le 20050701

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de pièces coulées, réalisées en un alliage métallique. Il existe de nombreux procédés pour fabriquer de telles pièces coulées, du type consistant à couler un alliage à l'état liquide dans un moule pour obtenir, dès la fin de la solidification, une pièce métallique suffisamment rigide pour être démoulée. Cependant, de telles pièces présentent des caractéristiques mécaniques qui ne sont pas satisfaisantes. Ceci résulte notamment du fait que ces pièces présentent une structure eutectique grossière, des porosités ou inclusions, ainsi qu'un état de surface grossier. C'est pourquoi de nombreux procédés ont été mis au point pour améliorer les caractéristiques mécaniques des pièces coulées. Ainsi, on connaît de nombreux procédés consistant à remplir un moule avec un alliage à l'état liquide, à démouler la pièce obtenue après solidification et ensuite à soumettre la pièce à un pressage entre deux empreintes métalliques. On peut notamment citer les documents EP-119 365, EP-816 042 et EP-955 113, dans lesquels la pièce obtenue après solidification est pressée à chaud, une étape intermédiaire de chauffage de la pièce pouvant être prévue entre son démoulage et son pressage. Ces procédés sont relativement complexes et coûteux, notamment lorsqu'il faut prévoir un four D21053/240487 - 20.12.2003 tunnel entre le poste de moulage et le poste de pressage pour réchauffer les pièces. D'autres procédés prévoient de réaliser l'étape de pressage à température ambiante ou à basse température. On peut notamment citer le document FR-2 614 814, dans lequel l'opération de pressage s'effectue à froid ou à basse température, les empreintes de la matrice présentant des dimensions légèrement inférieures à celles de la pièce. De même, le document EP-1 213 367 décrit un procédé dans lequel, après le démoulage de la pièce et avant son pressage, la pièce démoulée est refroidie rapidement de façon à obtenir une structure homogène, le pressage étant ensuite réalisé à température ambiante. Ce pressage est réalisé entre les deux empreintes d'une matrice qui présentent des dimensions légèrement inférieures à celles du moule. De tels procédés réalisant un forgeage à froid sont d'une mise en oeuvre beaucoup moins coûteuse que les 20 procédés nécessitant un forgeage à chaud. De surcroît, lors d'un pressage à chaud, la contrainte est plus faible qu'à froid. Ainsi, pour obtenir la même énergie de déformation, les déplacements et écoulements de matière à chaud sont donc plus importants. Il en résulte que les bavures qui servent en particulier à la régulation de ces écoulements lors du forgeage, sont plus importantes à chaud qu'à froid. Un procédé dans lequel le forgeage s'effectue à 30 froid conduit donc à des économies de matière lors de D21053/240487 - 20.12.2003 l'obtention des pièces, par rapport à des pièces forgées à chaud. Cependant, la mise en uvre des procédés de fabrication de pièces coulées incluant une étape de forgeage à froid n'élimine pas complètement l'apparition de bavures. De surcroît, le forgeage s'effectuant à froid, la déformation résulte d'un écrouissage, et non d'un fluage comme lors d'un forgeage à chaud. Ainsi, les bavures résultant d'un forgeage à froid sont très écrouies et sont difficiles à enlever sans détériorer la pièce. Il a, en effet, été constaté que les bavures ont tendance à se fissurer lorsqu'on veut les éliminer, et donc à se propager dans la pièce. De surcroît, une partie importante de la puissance disponible de la presse est, en pratique, uniquement utilisée pour la formation de la bavure. La puissance disponible de la presse de forgeage étant limitée, l'étape de forgeage ne permet donc pas toujours d'obtenir la pièce souhaitée. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients. Ainsi, l'invention concerne un procédé pour fabriquer des pièces coulées, réalisées en un alliage 25 léger, consistant: - à remplir un moule avec un alliage léger à l'état liquide, - à démouler la pièce après solidification et - à soumettre la pièce à un pressage ou forgeage entre les deux empreintes d'une matrice, à froid ou à température ambiante, D21053/240487 - 20.12.2003 caractérisé en ce que le pressage est réalisé avec une matrice dont les dimensions sont sensiblement égales à celles de l'empreinte du moule, le pressage étant alors effectué sans générer de bavures nécessitant une étape ultérieure d'ébavurage. En effet, le bourrelet formé entre les deux matrices à la fin du forgeage est maîtrisé de telle sorte qu'il reste de dimension faible. Il ne nécessite pas d'opération d'ébavurage ultérieure car il ne présente pas de danger de manutention et reste dans l'encombrement autorisé pour la pièce. Ainsi, les dimensions de la pièce moulée, de la matrice de pressage et de la pièce finie sont sensiblement identiques, le volume de matière étant également sensiblement le même, dans la pièce moulée et dans la pièce finie. La suppression de l'étape d'ébavurage permet d'éliminer tout risque de détérioration de la pièce qui pourrait en résulter. Elle entraîne également une réduction du coût d'obtention des pièces finies, une étape classique du procédé d'obtention des pièces étant supprimée. Enfin, l'absence de bavures permet des économies de matière et des économies de traitement, dans la mesure où il n'est plus nécessaire de retraiter les bavures en les refondant dans le bain de fusion qui servira à la coulée, pour pourvoir réutiliser la matière correspondante. De façon préférée, l'étape de pressage du procédé selon l'invention est réalisée sans que la pièce ait été lubrifiée. Seules les matrices de forgeage pourront être D21053/240487 - 20.12.2003 pulvérisées périodiquement avec un produit permettant l'éjection. Ainsi, le lubrifiant des pièces, classiquement prévu dans les forgeages à chaud ou à froid, est volontairement supprimé. Ceci permet à la matière présente dans la matrice de remplir celle-ci par écrouissage et non par déplacement de matière. La pièce subit une déformation isodirectionnelle, ce qui contribue à l'obtention de caractéristiques 10 mécaniques améliorées. De surcroît, le fait que la matière ne se déplace pas relativement aux empreintes de la matrice, lorsqu'elle est en contact avec elle, réduit les contraintes dans l'outillage et améliore la fatigue mécanique de celui-ci. Ceci permet d'allonger la durée de vie des matrices de pressage. L'absence de lubrification supprime une étape classique des procédés d'obtention de pièces coulées, réalisée notamment par une enduction des pièces avec du graphite. Ceci contribue encore à la réduction du coût d'obtention des pièces. De façon préférée, le procédé selon l'invention comporte une étape intermédiaire de trempe après le démoulage de la pièce et avant son pressage, consistant à refroidir rapidement la pièce démoulée de façon à obtenir une structure homogène, le pressage étant ensuite réalisé à température ambiante. Ce refroidissement rapide permet d'obtenir une pièce de structure homogène, grâce à la mise en 30 solution de l'alliage résultant du processus de coulée. D21053/240487 - 20.12.2003 Ceci permet également d'utiliser une propriété particulière des alliages légers, entre autres d'aluminium, à l'état trempé : ceux-ci présentent une très bonne aptitude au forgeage ou au pressage en raison d'un accroissement de leur ductilité. Cependant, il est apparu que la température de démoulage ne pouvait pas toujours être facilement contrôlée. Or, l'effet de la trempe dépend de la température de la pièce lorsque l'opération de trempe est démarrée. Ainsi, lorsque les pièces subissant l'opération de trempe présentent des températures différentes, il en résulte des dispersions au niveau des caractéristiques mécaniques des pièces finies. C'est pourquoi, le procédé selon l'invention consiste avantageusement à faire précéder l'étape de trempe d'un réchauffage de la pièce après son démoulage, en vue d'une mise en solution. Ce réchauffage de la pièce permet de s'assurer que toutes les pièces sont bien à la même température au point de départ de l'étape de trempe. Ceci permet donc d'obtenir des pièces finies dont les caractéristiques mécaniques sont sensiblement identiques. Dans une première variante de mise en uvre du procédé selon l'invention, le réchauffage de la pièce est réalisé immédiatement après son démoulage. Le réchauffage permet alors de porter la température de la pièce à environ 535 C à 545 C pour un 30 alliage AS7GO3. D21053/240487 - 20.12.2003 Dans une deuxième variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le réchauffage est réalisé après le refroidissement naturel de la pièce. Ceci permet une meilleure gestion des pièces. Par ailleurs, les pièces ont pu être démasselottées avant d'être réchauffées, ce qui entraîne des économies en termes d'énergie et donc des réductions de coût. Dans ce cas, le réchauffage permet également de porter la température de la pièce de la température ambiante à une température comprise entre 535 C et 545 C pour un alliage AS7GO3. De façon préférée, la pièce est maintenue à température ambiante après le pressage. La pièce est par ailleurs avantageusement soumise à un traitement de revenu qui peut se situer avant ou après l'étape du pressage ou forgeage suivant les caractéristiques attendues. Pour des pièces nécessitant de fortes caractéristiques mécaniques mais pour lesquelles l'allongement n'est pas indispensable, le traitement de revenu peut être réalisé avant le forgeage. En revanche, pour des pièces de sécurité où l'allongement est important, le traitement de revenu sera effectué après le forgeage. Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit de façon plus précise en référence aux figures 1 à 3 qui illustrent, sous la forme d'un graphique donnant la température de la pièce en fonction du temps, les différentes étapes du procédé selon l'invention: D21053/240487 - 20.12. 2003 - la figure 1 correspond à la première variante selon laquelle le réchauffage est réalisé immédiatement après son démoulage, - la figure 2 correspond à la deuxième variante, selon 5 laquelle le réchauffage est réalisé après le refroidissement naturel de la pièce et, - la figure 3 correspond à une mise en oeuvre différente de la première variante, dans laquelle l'étape de revenu est réalisée avant le forgeage à froid. Les échelles ne sont pas respectées de façon précise sur ces trois figures, notamment en ce qui concerne les températures les plus basses. Les figures sont assez sommaires et n'illustrent pas, en particulier, d'éventuelles dispersions de 15 température à l'intérieur d'une pièce. On se réfère tout d'abord à la figure 1. Pendant la période A, l'alliage est porté à une température T1r comprise entre 780 et 770 C. La coulée de la pièce dans un moule est réalisée pendant la période B. La température de la pièce passe de la température T1 à une température inférieure T2, à laquelle la pièce est solidifiée dans le moule. Cette température T2 est comprise entre 450 C et 600 C. Elle peut varier d'une pièce à l'autre et également dans une même pièce, car il existe des gradients de température dépendant de la massivité de la pièce. La pièce est alors démoulée et immédiatement réchauffée pendant la période C, jusqu'à atteindre une température T3, sensiblement homogène dans toute la pièce et supérieure à T2 dans les zones les plus D21053/240487 20.12.2003 froides de la pièce. La température T3 est typiquement comprise entre 535 C et 545 C pour un alliage AS7G03. Pendant la période D, est effectué un traitement de trempe, la température de la pièce passant de la température T3 à une température inférieure à 100 C en moins de 20 secondes. Pendant la période E, la maturation de l'alliage s'effectue à température ambiante et de façon naturelle durant une période d'au moins 6 heures. La pièce est ensuite forgée, à température ambiante, pendant la période F. On comprend ici par forgeage à température ambiante ou à froid, un forgeage réalisé entre 0 et 100 C. Pendant la période G, est effectué le transfert de la pièce vers les fours de revenu. Dans l'exemple de procédé illustré sur la figure 1, celui-ci se poursuit pendant la période H, par un traitement de revenu. La pièce est alors chauffée à une 20 température T4. Ce traitement de revenu permet d'optimiser les caractéristiques mécaniques des pièces par précipitation des éléments d'alliage, notamment dans le cas des alliages d'aluminium. Des températures de revenu sont typiquement comprises entre 80 et 200 C, selon la nuance pour des alliages d'aluminium. La deuxième variante du procédé selon l'invention est illustrée à la figure 2. D21053/240487 - 20.12.2003 Pendant la période A, est réalisée, comme pour le procédé illustré à la figure 1, la fusion de l'alliage à la température T1. Pendant la période I est réalisée la coulée de la 5 pièce dans le moule et le démoulage de la pièce à la température T2. Cette deuxième variante diffère de la première en ce que, pendant la période I, et après le démoulage, la pièce est refroidie naturellement ou par immersion dans un liquide ou par projection d'un gaz jusqu'à atteindre la température ambiante. Une fois la pièce refroidie, elle est réchauffée pendant la période J pour atteindre la température T3. Ce réchauffage de la pièce peut être réalisé dès que la pièce a atteint la température ambiante ou peut, avantageusement, être décalé dans le temps, pour une meilleure gestion industrielle. Les autres opérations du procédé, sont identiques à celles décrites précédemment pour la figure 1, 20 pendant les périodes D à H. Une autre mise en ouvre de la première variante du procédé selon l'invention est illustrée à la figure 3. Les premières étapes du procédé qui se déroulent 25 pendant les périodes A à D sont identiques à celles décrites précédemment pour la figure 1. Cette mise en ouvre diffère ensuite de la première variante en ce qu'après le traitement de trempe (période D), la pièce est transférée vers les fours de revenu (période K) pour subir un traitement de revenu (période L). D21053/240487 - 20.12.2003 La maturation de l'alliage est ensuite réalisée (période E) et, enfin, la pièce est forgée, à température ambiante (période F). Ces étapes de maturation et de forgeage sont 5 identiques à celles décrites précédemment pour la figure 1. Ainsi, la différence essentielle avec la première variante consiste à réaliser l'opération de revenu avant le forgeage à froid. De même, une autre mise en uvre de la deuxième variante du procédé selon l'invention consiste effectuer le traitement de revenu après les opérations de mise en solution et trempe (périodes J et D). Cette autre mise en oeuvre n'est pas illustrée par les figures. En pratique, le moment où le traitement de revenu sera effectué dépendra des pièces à réaliser. Si ces pièces demandent une limite d'élasticité élevée, sans nécessiter un allongement à la rupture important, le traitement de revenu sera, de préférence, réalisé avant le forgeage. Par contre, pour des pièces nécessitant un allongement à la rupture important, le traitement de revenu sera avantageusement effectué après le forgeage. A titre d'illustration, voici les caractéristiques d'une pièce obtenue selon le procédé selon l'invention. D21053/240487 - 20.12.2003 TABLEAU Limite d'élasticité Allongement (%) (MPa) Revenu après forgeage 276 7 Taux de déformation de 13% Revenu après forgeage 279 6 Taux de déformation de 20% Revenu avant forgeage 324 2,5 Le procédé décrit en référence aux figures 1 et 2 permet d'obtenir les caractéristiques mécaniques données dans le Tableau aux lignes 1 et 2; les différences proviennent des différences d'écrouissage subies par le matériau (ici caractérisées à des taux de déformation de 13 et 20%). Le procédé selon la figure 3 permet d'obtenir les 10 caractéristiques mécaniques données à la ligne 3 du Tableau. Dans tous les cas, les essais montrent que le procédé selon l'invention permet d'obtenir des pièces dont la limite d'élasticité est supérieure à celle de pièces similaires obtenues par des procédés classiques, tels que décrits dans le document EP-119 365. Les essais réalisés au sein des unités de fonderie de la demanderesse ont montré que le réchauffage de la pièce avant la trempe permettait d'assurer une meilleure reproductibilité du résultat métallurgique obtenu sur la pièce finale. Par ailleurs, l'absence de bavures lors de l'opération de forgeage a été confirmée par les essais suivants: des éprouvettes dites os de chien ainsi que des pièces industrielles, un triangle de suspension D21053/240487 - 20.12.2003 et un pivot de roue, ont été réalisées conformément au procédé selon l'invention et n'ont présenté qu'un bourrelet maîtrisé après mise au point de l'ébauche de fonderie (moyens de simulation numérique de la forge et essais physiques). De façon générale, l'ébauche de fonderie est dimensionnée de telle sorte qu'une fois la matrice fermée, la pièce présente au plan de joint un bourrelet de largueur limitée et contrôlée. Le dimensionnement de l'ébauche pour limiter l'apparition de bavures, tout en assurant un écrouissage important de la matière, est rendu possible par l'utilisation de simulation numérique. Ainsi, des logiciels ont été utilisés pour simuler les déformations de la matière durant le forgeage de celle-ci à chaud ou à froid et pour le dimensionnement des ébauches. On peut notamment citer les logiciels Forge2 et Forge-3 de la société TRANSVALOR. Par ailleurs, ont été déterminées les lois de comportement des matériaux destinées au logiciel pour obtenir des simulations représentatives de la réalité physique du forgeage d'un aluminium à froid. D21053/240487 - 20.12.2003 REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer des pièces coulées, réalisées en un alliage léger, consistant: - à remplir un moule avec un alliage léger à l'état liquide, - à démouler la pièce après solidification et - à soumettre la pièce à un pressage ou forgeage entre les deux empreintes d'une matrice, à froid ou à température ambiante, caractérisé en ce que le pressage est réalisé avec une matrice dont les dimensions sont sensiblement égales à celles de l'empreinte du moule, le pressage étant effectué sans générer de bavures nécessitant une étape ultérieure d'ébavurage. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce est pressée sans avoir été lubrifiée. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape intermédiaire de trempe après le démoulage de la pièce et avant son pressage, consistant à refroidir rapidement la pièce démoulée de façon à obtenir une structure homogène, le pressage étant ensuite réalisé à température ambiante. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape intermédiaire de trempe est précédée d'un réchauffage de la pièce après son démoulage, en vue d'une mise en solution. D21053/240487 - 20.12.2003 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réchauffage de la pièce est réalisé immédiatement après son démoulage. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réchauffage permet de porter la température de la pièce à une température comprise entre 535 C et 545 C pour un alliage AS7GO3. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en que le réchauffage est réalisé après le 10 refroidissement naturel de la pièce. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réchauffage permet de porter la température de la pièce de la température ambiante à une température comprise entre 535 C et 545 C pour un alliage AS7GO3. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce est maintenue à température ambiante après le pressage. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pièce est soumise à un traitement de revenu, avant ou après l'étape de pressage. D21053/240487 - 20.12.2003