Brevet FR2878534A1 — publié le 20060602

Alliage d'aluminium pour pièce à haute résistance mécanique à chaud 5 Domaine de l'invention L'invention concerne les alliages d'aluminium pour pièces soumises à des contraintes thermiques et mécaniques élevées, notamment les pistons de moteurs à combustion interne, et plus particulièrement de moteurs turbochargés à essence ou diesel. Etat de la technique Sauf mention contraire, toutes les valeurs relatives à la composition chimique des 15 alliages sont exprimées en pourcent massique. Dans la fabrication des pistons de moteurs, on utilise habituellement des alliages d'aluminium 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, 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. Des publications plus ou moins récentes indiquent des variantes de composition, notamment à très fortes teneurs en cuivre associées à des teneurs conséquentes en magnésium. Ainsi, 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 35 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. Un autre brevet, déposé par Toyota en 1996 (JP9272939), décrit un alliage pour application à un piston de moteur à combustion interne, composé de 13 à 25 % de silicium et particulièrement chargé en cuivre et magnésium ( 8 à 22 % de cuivre, 0.2 à 1.5 % de magnésium) avec en outre, 0.3 à 1.5 % de fer, 0.1 à 2.5% de manganèse, 0.01 à 1.5 % de titane, 1 à 5 % de nickel, 0.002 à 0.4 % de phosphore, autres éléments en impuretés, balance aluminium. Une demande de brevet déposée également par Toyota, mais en 1998, (JP2000/054053) décrit une méthode de fabrication d'alliage pour piston conduisant à une taille de grain maximale de 200 m, et d'une composition également chargée tant en cuivre qu'en magnésium (3.0 à 10.0 % de cuivre et 0.7 à 1.3% de magnésium avec 1.5 à 3.0 % de nickel, 1.0 % de fer au maximum, 0.5 à 1.0 % de manganèse, 0.05 à 0.3 % de vanadium et 12 à 14 % de silicium). La NASA a plus récemment déposé plusieurs brevets portant également sur des compositions d'alliages à forte teneur en silicium, cuivre et magnesium comportant également du titane, zirconium, vanadium... . - Ainsi la demande US 2001/0010242 Al est relative à un procédé de fabrication d'une pièce moulée à partir d'un alliage de composition: Si: 14.0-25.0 %, Cu: 5.5-8.0 %, Mg: 0.5-1.5 %, Ni: 0.05-1.2 % Ti: 0.05-1.2 %, Zr: 0.12-1.2 %, V:0.05-1.2 %, P: 0.001-0.1 %, balance aluminium; le rapport %Si / %Mg est compris entre 15 et 35; le rapport %Cu / %Mg est compris entre 4 et 15. - Le brevet US 6.399.020 donne quant à lui une autre variante de composition, à savoir: Si: 11.0-14.0 %, Cu: 3.6-8.0 %, Fe: 0-0.8 %, Mg: 0. 5-1.5 %, Ni: 0.05-0.9 %, Mn: 0-1.0 %, Ti: 0.05-1.2 %, Zr: 0.12-1.2 %, V: 0.05-1.2 %, Sr: 0.001-0.1 %. D'autres brevets antérieurs portent sur des alliages à forte teneur en cuivre et magnésium ainsi qu'en nickel: c'est le cas du brevet d'Alcan-Gmbh, EP0714479, qui décrit un alliage de composition: Cu: 2-6 %, Ni: 2-6 %, Si: 11-16 %, Mg: 0.5 -2.0%,Fe Une autre voie consiste dans le choix d'alliages à basse teneur en magnésium associée à des teneurs relativement modérées en cuivre. Ainsi, la demande de brevet récente de Toyota ( JP2002/249840) porte sur un alliage à teneurs faible en magnésium et modérée en cuivre, et d'une taille de grain a-Al limitée, de composition: Mg Une demande encore plus récente, toujours de Toyota, mais déposée aux USA et en Allemagne (US 2004/057865 Al) est relative à un piston constitué également d'un alliage d'aluminium à teneurs faible en magnésium et modérée en cuivre, mais sans précision sur la taille de grain: Mg 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 telles températures, en particulier les pistons de moteurs à combustion interne, notamment des moteurs turbochargés et à injection directe. Objet de l'invention L'invention a pour objet un alliage d'aluminium pour pièce devant posséder une grande résistance mécanique à chaud, de composition (% massique) : Mg Description des figures La figure 1 représente une coupe d'un piston avec la tête de piston en 1, la jupe de 35 piston en 2, le bol de piston en 3, l'arête de bol en 4, et le bossage d'axe en 5. La figure 2 représente le pourcentage de pistons présentant une fissure de plus de 1,5 mm en arête de bol (en ordonnée), en fonction du nombre N de cyclages thermiques de 380 à 150 C (en abscisse) lors des essais sur simulateur de la sollicitation en fatigue thermique en arête de bol. La figure 3 représente en ordonnée la pression limite, en bars (105 N/m2), déduite de la simulation de sollicitation en fatigue mécanique des bossages d'axes (en anglais Pin boss pulsator ) sur pistons coulés avec les divers alliages indiqués en abscisse, ceux-ci étant maintenus à une température de 250 C pendant 20h. La figure 4 présente les caractéristiques mécaniques de traction à température ambiante, obtenues sur éprouvettes en dissection dans les pistons coulés avec les divers alliages indiqués en abscisse, en ordonnée et en N/mm2 en partie gauche pour la limite d'élasticité, en % et en partie droite pour les allongements à rupture. Description de l'invention L'invention repose sur la constatation faite par la demanderesse qu'il est possible d'obtenir des propriétés de tenue à chaud, notamment entre 230 C et 430 C, nettement améliorées par rapport aux alliages existants, en associant, dans un alliage de moulage de type Al-Si, une teneur de 4 à 9 % en cuivre et une faible teneur en magnésium. Les alliages selon l'invention ont, comme principales caractéristiques, une teneur en silicium relativement modérée, de 8 à 13 %, associée à une forte teneur en cuivre (4 à 9 %), une assez forte teneur en nickel (1.5 à 4 %) et une teneur très limitée en zirconium. Plus précisément, les alliages selon l'invention présentent la composition suivante: Si:8à13%, Fe Ce type de composition par rapport à celles décrites dans l'art antérieur, en particulier dans le cas d'application à des pistons, confère une structure de solidification des phases eutectiques intermétalliques AlCuNi, A13Ni, ... peu ségrégée et d'une bonne homogénéité dans l'ensemble de la pièce ainsi que, moyennant l'addition classique de phosphore, une structure hypereutectique de silicium primaire de forme peu allongée et répartie régulièrement. Ces structures améliorent le comportement en fatigue thermique à très hautes températures ( 300 à 430 C) des arêtes de bol en tête de piston. Qui plus est, ce type de composition améliore aussi de façon très sensible la tenue en fatigue mécanique à chaud, nécessaire en particulier dans les zones des bossages d'axe, grâce à l'obtention lors du traitement thermique d'une microstructure comportant des phases métastables au cuivre du type 9' 0" dérivées du système de précipitation Al2Cu. Ces phases sont plus stables à des températures modérées et élevées ( 180 à 300 C) que les phases binaires X3'(3 " à base de Mg2Si et les phases quaternaires ?') " AlCuMgSi, qui se forment lors du revenu en présence de fortes quantités de magnésium et de teneurs limitées en cuivre.. 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. Comme la plus grande partie des alliages destinés à la fabrication des pistons de moteurs, la teneur en fer est maintenue en dessous de 1 %, 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. La teneur en titane est maintenue entre 0,03 et 0,3 %, ce qui est assez habituel pour ce type d'alliage. Un avantage des compositions choisies selon l'invention est en effet la possibilité d'obtenir des structures dendritiques a-Al variées et contrôlables selon les zones du piston. La demanderesse a vérifié la possibilité de favoriser, en jouant sur la thermique de solidification et sur la composition, soit des structures colonnaires, voire herbacées, soit au contraire, équiaxes: -Si l'on souhaite une structure équiaxe en toutes zones du piston, les additions de titane ( élément ralentisseur de croissance et affinant) jusqu'à 0,3 %, éventuellement combinées à des additions d'affinants à base de titane et/ou de bore sont préférées. - Si, au contraire, on souhaite obtenir, dans certaines parties de la pièce, telles que la tête et l'arête de bol, une structure colonnaire, voire herbacée, et ailleurs, en particulier dans les bossages d'axe, une structure équiaxe, il importe de limiter la teneur en éléments péritectiques, soit Ti Les meilleurs résultats d'essais de fatigue thermique à ce jour ont été obtenus avec des structures colonnaires en arête de bol. Par contre, une structure dendritique équiaxe affinée en partie basse du piston (bossages d'axe) favorise la tenue en fatigue mécanique à chaud de cette zone. Ainsi, les alliages selon l'invention permettent, en adaptant la structure dendritique locale, d'optimiser la résistance du piston tant en fatigue thermique qu'en fatigue mécanique (arête de bol et bossage d'axe). La teneur en zirconium est maintenue inférieure à 0,05 %, car cet élément affine le grain et empêche l'obtention d'une structure colonnaire ou herbacée précisément 10 recherchée dans les zones chaudes. L'alliage contient, comme de nombreux alliages pour pistons, du nickel à une teneur élevée de 1 à 4 %, qui contribue à la résistance à chaud. Il peut comporter également du vanadium à une teneur inférieure à 0,30 %, et de préférence entre 0,04 et 0,20 %. A une teneur de plus de 0, 1 %, le manganèse a un effet positif sur la résistance mécanique entre 230 C et 430 C, mais cet effet plafonne ensuite, ce qui explique sa limitation à 1 % au maximum. Outre ses effets sur la structure, la limitation de la teneur en magnésium à moins de 0,5 %, préférentiellement 0,4 % et encore plus avantageusement 0,3 %, présente l'intérêt de réduire sensiblement l'oxydabilité de l'alliage, ceci facilitant 1 obtention de pièces particulièrement saines (peu d'inclusions d'oxydes, de retassures, de porosités de gazage), d'où une bien meilleure constance des performances en fatigue thermique et en fatigue mécanique Selon un mode de réalisation préférentielle, la limitation de la teneur en magnésium à moins de 0,1 % confère des avantages supplémentaires: -Elle permet l'obtention en tête du piston, soumise à de fortes sollicitations de fatigue thermique à forte température (350 C-430 C), d'une structure comportant une forte fraction de phases eutectiques de type Al-Cu et Al-Ni-Cu sans magnésium, particulièrement favorable à un bon comportement mécanique à haute température. -Moyennant le choix d'une teneur en cuivre élevée selon l'invention, elle n'a pas d'incidence négative sur le niveau de durcissement à température ambiante, ni sur la résistance à la fatigue, thermique et mécanique. Par ailleurs, contrairement aux alliages pour pistons habituels, où la présence de magnésium est souhaitée ou admise, les alliages à très basse teneur en magnésium, selon l'invention préférentielle, 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 0,5% de magnésium forment un eutectique quaternaire invariant avec le risque d'une brûlure à 508 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 péritectiques au titane et au vanadium. -Enfin, un autre avantage non négligeable de la combinaison de fortes teneurs en cuivre et de faibles teneurs en magnésium est de rendre le durcissement structural moins sensible à la vitesse de trempe après mise en solution que dans le cas des alliages du type Al-Si-Mg ou Al-Si-Cu-Mg. De ce fait, bien que trempables à l'eau selon les techniques usuelles, ces alliages autorisent la pratique de traitements thermiques T6 ou T7 avec des vitesses de trempe nettement ralenties par rapport à celles habituellement exploitées (notamment par trempe à l'eau), permettant ainsi de réduire les contraintes internes dans les pièces. Ceci est également vrai pour les états T5 puisque le durcissement dans ce cas ne requiert pas de trempe rapide au démoulage. Les alliages selon l'invention sont adaptés aux procédés habituels de moulage, notamment le moulage en coquille par gravité et le moulage en coquille par 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 ). Ils peuvent convenir à d'autres procédés de mise en forme tels que, de façon non exclusive, le matriçage, le forgeage, le moulage-matriçage (Cobapress ) ou le moulage à l'état semi-solide. Enfin, ils peuvent également être utilisés pour des inserts dans les parties chaudes d'une pièce en alliage traditionnel, ou pour les parties chaudes de pièces réalisées en 30 deux alliages différents ( Dual casting ). Le traitement thermique du type T7 peut comporter 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 surrevenu de 0,5 à 10 h à une température comprise entre 220 et 280 C. Si, pour des raisons particulières, on souhaite éviter une globulisation trop poussée du réseau de silicium eutectique, il est préférable d'effectuer la mise en solution à une température plus faible, entre 490 et 515 C. Les alliages selon l'invention, et notamment dans le cas d'application à des pistons de moteurs d'automobile ou d'avion, présentent une excellente résistance mécanique à chaud et une résistance au fluage supérieure à celle des alliages de l'art antérieur dans le domaine de température 230430 C. Il convient enfin de noter que les alliages selon l'invention peuvent évidemment contenir des impuretés au niveau rencontré soit en première fusion (alliages issus de l'électrolyse sans recyclage), seconde fusion (alliages issus du recyclage),ou à un niveau de pureté intermédiaire entre les deux précédents. Exemples On a élaboré dans un four industriel, 7 alliages dont la composition (%massique) est indiquée au tableau 1. Ces compositions ont été mesurées par spectrométrie d'émission par étincelle. Tableau 1 A B C D E F G Si 13 10.8 10.5 10.0 8.9 11.2 8.9 Cu 3.64 3.55 7.02 7.40 16.05 5. 44 10. 19 Ni 1.99 1.81 1.78 1.70 1.60 1.92 1.86 Mg 0,99 0.13 0.11 0.09 0. 06 0. 48 0.46 Fe 0,41 0,54 0,52 0,49 0,82 0,37 0,29 Mn 0,14 0,20 0,19 0,18 0,16 0,24 0,18 Ti 0.08 0.06 0.07 0.07 0.25 0.097 0.076 Zr 0.004 0.003 0. 003 0. 155 0.032 0.003 0.002 V 0.01 0.01 0.01 0.01 0.027 0.01 0.02 Ces compositions ont été utilisées pour produire, par moulage selon le procédé coquille par gravité , des pistons de type turbo diesel pour des moteurs de véhicules particuliers. Lesdits pistons ont fait l'objet: d'une caractérisation mécanique (découpe d'éprouvettes de dissection dans les têtes 5 des pistons et essais de traction à température ambiante), de caractérisations structurales (taille des grains, examen des phases intermétalliques), - d'expérimentations sur un simulateur de la sollicitation en fatigue thermique ( en anglais Thermo- shock ou encore Test of the resistance of the bowl rim ): Ce test, via un système de chauffage par induction et un refroidissement régulé des jupes en bain d'eau, provoque un cyclage thermique entre 350 C et 150 C dans les arêtes de bol. L'inducteur de chauffage a un diamètre de 1 à 2 mm inférieur à celui de l'arête de bol dans lequel il est positionné. Le chauffage s'effectue généralement pendant 3 à 4 secondes et le refroidissement pendant 6 à 10 secondes. Cette sollicitation génère des contraintes successivement en compression et en traction sur l'arête de bol et permet ainsi de comparer la résistance à la fatigue thermique des alliages de différentes compositions. Le critère de ruine est l'apparition d'une fissure de plus de 1.5 mm à partir de l'arête de bol. - d'expérimentations sur un simulateur (en anglais Pin boss pulsator ) de la sollicitation en fatigue mécanique des bossages d'axes. Le piston est positionné dans une chambre cylindrique étanche ajustée à ses dimensions latérales extérieures. Une pression d'huile alternée, à une fréquence de 20 à 30 Hz, pendant 2.106 cycles, est appliquée en tête de piston pour obtenir une pression de réaction en bas de jupe constante (généralement de 40 bars soit 40 105 N/m2). La température est généralement fixée à 50 C. En fonction des valeurs moyenne et maximum de pression en tête de piston et des températures habituellement rencontrées dans les bossages, un calcul permet de déterminer la pression maximum de combustion à laquelle les bossages peuvent résister. C'est cette dernière qui figure en ordonnée à la figure 3, dans ce cas pour un maintien de 20 h à 250 C. Pour les différentes caractérisations et expérimentations, les pistons ont été au préalable soumis à un traitement thermique comportant une mise en solution avec palier de 60 mn à 500 C, une trempe et un revenu de 5 h à 230 C. Les résultats des tests de fatigue thermique sont indiqués sur la figure 2 et ceux des 35 tests de fatigue des bossages d'axe sur la figure 3: les meilleurs résultats sont i0 obtenus en fatigue mécanique pour les compositions C et F (figure 3) qui seules entrent dans le champ de composition des alliages selon l'invention, ces deux compositions conduisant par ailleurs à d'excellents résultats en fatigue thermique. La figure 4 indique les résultats d'essai de traction à l'ambiante sur éprouvettes de dissection. L'alliage C selon l'invention présente des caractéristiques du même niveau que celles de l'alliage classique A de référence. i0 15 25 30 35 Revendications 1. Alliage d'aluminium pour pièce devant posséder une grande résistance mécanique à chaud, de composition (% massique) : Mg 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en magnésium est inférieure à 0,4 %. 3. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en magnésium est inférieure à 0,3%. 4. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en magnésium est 25 inférieure à 0,1 %. 5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la teneur en fer est inférieure à 0,60 % et la teneur en Zn inférieure à 0. 40%. 6. Alliage selon l'une des revendications 1 à 5, destiné à présenter une structure équiaxe dans la quasi-totalité de la pièce, caractérisé en ce que la teneur en titane est comprise entre 0,10 et 0,20 %. 7. Alliage selon l'une des revendications 1 à 5, destiné à présenter une structure colonnaire marquée en certaines zones choisies de la pièce et éventuellement équiaxes dans d'autres zones, caractérisé en ce que la teneur en titane est inférieure à 0,10 %. 8. Alliage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en vanadium est comprise entre 0,04 et 0,20 %. 9. Alliage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,15 et 0,40 %. 10. Alliage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour un insert de partie chaude d'une pièce moulée. 11. Alliage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est utilisé 15 pour un piston de moteur à combustion interne. 25 30