Brevet FR2875816A1 — publié le 20060331

Piston forgé en alliage d'aluminium Domaine de l'invention L'invention concerne un piston forgé en alliage d'aluminium de type Al-Si-Cu à haute résistance à la fatigue, notamment pour utilisation dans des moteurs à combustion. Etat de la technique Dans les moteurs à combustion interne, on utilise couramment des pistons moulés en alliage d'aluminium de type Al-Si. Ces alliages résistent bien à l'abrasion, aux contraintes thermiques et mécaniques, et à la fatigue dans une zone de température typiquement comprise entre -20 C et 400 C. La demande de brevet DE 198 29 047 Al (Aisin Seiki KK) décrit un alliage pour piston moulé de composition Si 13 16 Cu2 5 Mg 0,2 1,3 Ni 1,0 2,5 V 0,05 0,2 P 0,004 0,02. Si 11,0 14,0 Cu 5,6 8,0 Mg 0,5 -1,5 Ni 0,05 0,9 Mn 0 -1,0 Ti 0,05 1,2 Zr 0,12 -1,2 Zn 0,05 0,9 Fe 0 0,8 Sr 0,001 0,1. Pour la même application, la demande de brevet DE 198 45 279 Al (Alcan Deutschland GmbH) propose des alliages de type Al-Si avec une teneur en nickel 30 beaucoup plus élevée, jusqu'à 12%. Le brevet US 6,399,020 (United States of America) décrit un alliage pour piston moulé de composition On connaît aussi des pistons forgés, qui présentent en général une meilleure résistance à la fatigue que les pistons moulés. Le brevet EP 924 310 B I (Federal Mogul) propose pour cet usage un alliage de composition Si 10,5 13,5 Cu 2,0 4,0 Mg 0,8 1, 5 Ni 0,5 2,0 Co 0,3 0,9 P > 20 ppm Ti 0,05 0,2 ou (Zr et/ou V 0 0, 2). Le cobalt conduit à la formation de phases intermétalliques de petite taille, qui agissent favorablement sur la tenue à chaud de l'alliage. La demande de brevet UK 2 300 198 A (British Aluminium Holdings Ltd) décrit un 10 alliage pour piston forgé de composition Si 10,5 -12,5 Cu 2, 8 4,0 Mg 1,1 -1,8 Ni 1,0 -1,8 Fe 0,3 1,0 Mn 0 0,5 B, V, Zn, Cr, Ti 0 0,2 chaque et Le brevet EP 790 325 B1 (Corus) décrit des produits filés de composition Si 11,0 -13,5 Cu 0 0,35 Mg 0,5 2,0 Mn 0 1,2 Ni, Zr, Cr, Zn 0 0,1 chacun Fe, Bi, Pb, Sn 0 1,0 chacun Sr 0,02 0,1. Ce brevet propose l'utilisation de cet alliage pour la fabrication de composants filés 20 pour des systèmes hydrauliques et pneumatiques, à des températures ne dépassant pas 150 C. Description des figures La figure 1 montre la résistance à la fatigue des alliages A (symbole: losange rempli noir) et B (symbole: carré non rempli), mesurée sur des éprouvettes cylindriques lors d'un essai de fatigue en contrainte axiale avec R=0,1. Description de l'invention a) Définitions Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique. Par conséquent, dans une expression mathématique, 0,4 Zn signifie: 0, 4 fois la teneur en zinc, exprimée en pourcent massique; cela s'applique mutatis mutandis aux autres éléments chimiques. La désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues de l'homme du métier. Les états métallurgiques sont définis dans la norme européenne EN 515. La composition chimique d'alliages d'aluminium normalisés est définie par exemple dans la norme EN 573-3. Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, c'est-à-dire la résistance à la rupture Rm, la limite élastique RP0,2, et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, l'endroit et le sens du prélèvement des éprouvettes étant définis dans la norme EN 755-1 et EN 754-1. La résistance à la fatigue est déterminée par un essai selon ASTM E 466. Le terme produit filé inclut les produits dits étirés , c'est-à-dire des produits qui sont élaborés par filage suivi d'un étirage. Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent. b) Description détaillée de l'invention La présente invention peut s'appliquer aux alliages d'aluminium de type Al-Si (série 4xxx) contenant entre 8 et 14% de silicium, et préférentiellement entre 10,5 et 13,0% de silicium, entre 0,6 et 4,0 de cuivre, entre 0,4 et 1,3% de magnésium, et entre 0,25 et 1,3% de nickel. L'alliage peut contenir également du titane (0,02 0,05%), du strontium (0,01 0,03%), du chrome (au plus 0,20%), ainsi que, à titre d'impuretés, du fer (au plus 0,50%), du manganèse (au plus 0,10%) et du zinc (au plus 0,10%). On préfère une composition dans laquelle Fe + Mn + Ti ne dépasse pas 0,60%. Le cuivre conduit au durcissement structural de l'alliage. Le magnésium contribue au durcissement de l'alliage. Le nickel contribue à la stabilité de l'alliage à haute température. Les éléments titane et zirconium affinent le grain. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, l'alliage a la composition suivante: Si 10,5 11,8 et préférentiellement 10,6 11,7 Cu 3,3 4,0 Mg 0,4 0,7 et préférentiellement 0,45 0,65 Cr 0,05 0,20 et préférentiellement 0,10 0,14 Ni 0,28 0,42 Ti 0,03 0,1 et préférentiellement 0,03 0,05 Zn 0 - 0,05 Sr 0,01 0,03 Mn 0 - 0,05 Fe 0 - 0,50 et préférentiellement 0 0,30 autres éléments 0,05 chaque et 0, 15 au total. Dans un autre mode de réalisation avantageux, l'alliage a la composition suivante: Si 11,0 -12,5 Cu 0,7 -1,3 Mg 0,8 -1,3 Ni 0,8 1,3 Ti 0 - 0, 05 Zr 0 - 0,03 Fe0-0,50 Mn0-0,05 Zn0-0,10 Cr0-0,05 Fe+Mn+Ti0,60 autres éléments 0,05 chaque et 0,15 au total. L'alliage est typiquement coulé en billettes de filage selon les techniques connues, homogénéisé, filé à chaud en barres, et optionnellement trempé sur presse. On préfère le filage inverse qui conduit à une microstructure plus régulière le long de la barre. Les barres filées sont découpées en ébauches pour forgeage de taille appropriée. Le forgeage se fait typiquement à une température comprise entre 400 et 480 C. Il est suivi d'une trempe. Les pièces forgées sont mises en solution, typiquement à une température comprise entre 460 et 530 C, et trempées. Ensuite, elles subissent un traitement de revenu. Le piston forgé selon l'invention se prête particulièrement bien à l'utilisation dans un moteur de voiture de course, qui doit présenter la plus haute performance possible pendant un temps d'utilisation très court, de l'ordre de dizaines d'heures, voir même de quelques heures seulement. A titre d'exemple, le piston selon l'invention peut être utilisé dans un moteur pour une voiture de course Formule 1. Le concept de Formule 1 se réfère à un règlement de concours sportif particulier, et implique l'utilisation de voitures de course spécifiquement adaptées à cette compétition. Plus particulièrement, un moteur pour voiture de course Formule 1 est typiquement soumis à une sollicitation maximale pendant la durée de la compétition (de l'ordre de quelques heures), et puis soumis à une vérification technique intensive, au cours de laquelle on peut remplacer des pièces usées. La longévité du piston n'est pas un critère particulièrement important dans ce contexte, contrairement aux véhicules de tourisme destinés à l'utilisation sur réseau routier public. En revanche, la résistance à la fatigue est un critère important pour ces applications. Le piston selon l'invention peut avoir une résistance à la fatigue supérieure à 106 cycles (R = 0,1) pour une contrainte de 300 MPa; un piston avec la composition selon la revendication 4 tient même plus que 106 cycles (R = 0,1) pour une contrainte de 350 MPa. Le piston forgé selon l'invention peut également être utilisé dans d'autres véhicules de course, notamment dans des voitures, motos ou navires de course. Le piston selon l'invention peut également être utilisé dans des véhicules destinés au grand public ainsi que dans des véhicules utilitaires. Il peut également servir dans des installations hydrauliques ou pneumatiques, notamment à température élevée. Dans les exemples qui suivent, on décrit à titre d'illustration des modes de réalisation avantageux de l'invention. Ces exemples n'ont pas de caractère limitatif. Exemples: On a fabriqué par filage à chaud deux barres cylindriques par filage à partir de deux alliages A et B dont la composition chimique approximative est indiquée dans le tableau 1. Tableau 1 Si Cu Mg Cr Ni Ti Sr A 11,2 3,65 0,55 0,12 0,35 0,04 0,02 B 11,8 1,0 1, 0 1,0 Leurs caractéristiques mécaniques au sens L (sens long) sont rassemblées dans le tableau 2. Ag est l'allongement réparti (en anglais: uniform elongation), et n le coefficient d'écrouissage (en anglais: hardening exponent). 5 Tableau 2 Température ambiante 150 C Rpo. 2 Rm Ag A n Rpo.2 R. A [%] [MPa] [MPa] [%] [%] (2-20%) [MPa] [MPa] A 355 443 7,4 9 0,074 318 362 11, 5 B 311 377 7,3 10,9 0,071 268 312 14,0 On a également déterminé la résistance à la fatigue par un essai de contrainte axiale avec R = 0,1 à température ambiante sur des échantillons cylindriques à surface lisse. Les résultats sont donnés sur le tableau 3 et la figure 1. Tableau 3 Alliage Contrainte [MPa] Nombre de cycles A 300 10 803 100 (*) A 300 12 495 400 (*) A 360 2 784 400 A 420 26 900 A 400 29 500 A 380 61500 A 370 1 135 200 A 360 130 900 (**) A 350 2 041 500 A 350 4 117 800 A 360 2 174 400 A 370 2 444 300 A 360 1 956 000 A 350 6 337 700 A 340 6 670 000 A 380 746 800 A 330 10768000 A 400 165 700 B 340 77 600 B 340 122 700 B 300 13 055 100 (*) B 320 142 600 B 320 87 100 B 300 1 146 100 B 300 10 803 100 (*) éprouvette non cassée (**) initiation de rupture sur défaut de surface Pour l'échantillon A, on observe sur des micrographies après attaque anodique une recristallisation à grains assez fins (diamètre environ 50 m à 100 m). A partir de ces barres, on a fabriqué par forgeage des pistons de forme cylindrique. Ils sont finis par usinage. REVENDICATIONS 1. Piston forgé en alliage d'aluminium de composition Si 8,0 -14,0% Cu 0, 6 4,0 Mg 0,4 -1,3 Ni 0,25 -1,3 Cr 0 0,20 Fe 0 0,50 Mn0 0,10 Zn0 0, 10 autres elements 0,05 chacun et 0,015 au total, le reste aluminium, ledit alliage pouvant contenir optionnellement: Ti 0,02 0,05 Sr 0,01 0,03 2. Piston forgé selon la revendication 1, caractérisé en ce que Si 10,5 - 11,8 Cu 3,3 4,0 Mg 0,4 0,7 Ni 0,28 0,42 Cr 0,05 0,20 Fe 0 0,30 Mn0 0,05 Zn0-0,05 Ti0,03 0,1. 3. Piston forgé selon la revendication 2, caractérisé en ce que Si 10,6 11,7 Mg 0,45 0,65 Cr 0,10 0,14 Ti 0,03 0,05. 4. Piston forgé selon la revendication 1, caractérisé en ce que Si 11,0 12,5 Cu 0,7 -1,3 Mg 0,8 -1,3 Ni 0,8 1,3 Zr 5. Piston forgé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il a été fabriqué par forgeage d'une barre filée. 6. Piston forgé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il a été forgé a une température comprise entre 400 C et 480 C, puis traité par une séquence d'étapes comprenant la trempe après forgeage, la mise en solution à une température comprise entre 460 C et 530 C, la trempe après mise en solution, et le revenu. 7. Utilisation d'un piston selon une quelconque des revendications 1 à 6 dans un 5 moteur de voiture de course de Formule 1.