Brevet FR2944030A1 — publié le 20101008

PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE ET PIECE EN ALLIAGE D'ALUMINIUM COULEE SOUS-PRESSION [000l] La présente invention concerne un procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'aluminium coulée sous-pression. L'invention concerne en outre une pièce en alliage d'aluminium coulée sous-pression puis traitée thermiquement, et un véhicule comportant une telle pièce traitée. [0002] Pour des problèmes de masses de pièces, par exemple dans le domaine de l'automobile, des pièces en alliage d'aluminium sont préférées aux pièces en acier ou en fonte. En outre pour des raisons de coût de fabrication, de production de masse et de précision dimensionnelle, les pièces en alliage d'aluminium sont généralement obtenues par moulage sous-pression. Cependant de telles pièces en alliages d'aluminium ne possèdent pas de propriétés mécaniques comparables à celles de l'acier ou de la fonte. Ces différences de propriétés mécaniques empêchent la substitution de toutes les pièces en acier ou en fonte par des pièces en alliage d'aluminium coulées sous-pression. [0003] Le document WO-A-2006/066314 décrit un procédé de traitement thermique de pièces en alliage d'aluminium coulées sous-pression. Ces pièces , de part le procédé de moulage, sont susceptibles de présenter des défauts internes dans lesquels des gaz sont occlus. Ces défauts sont susceptibles de former des cloques lors d'un traitement thermique de durcissement conventionnel. Le procédé de traitement qui est décrit dans le document WO-A-2006/066314 comprend une étape de mise en solution d'une durée inférieure à 30 minutes. Un tel procédé ne permet cependant pas un gain en terme de propriétés mécaniques pour toutes pièces en alliage d'aluminium coulés sous-pression. [0004 Il existe donc un besoin pour un procédé permettant l'obtention de pièces en alliage d'aluminium coulées sous-pression et ayant des propriétés mécaniques se rapprochant de celles de l'acier ou de la fonte. [0005] Pour cela, l'invention propose un procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'aluminium coulée sous-pression comprenant les étapes de mise en solution de la pièce dans un four préalablement préchauffé à une température en dessous du solidus de l'alliage ; de trempe de la pièce et de revenu de la pièce trempée ; caractérisé en ce que lors de l'étape de mise en solution, la pièce est maintenue à une température isotherme pour une durée d'au moins 10 minutes. [0006] L'invention permet l'obtention de propriétés mécaniques pour des pièces en alliages d'aluminium se rapprochant de celles d'autres matériaux tels que l'acier ou la fonte. [0007] Dans une variante, le four utilisé dans l'étape de mise en solution a un coefficient de transfert thermique supérieur à 300 W.m-2.K-1, de préférence entre 500 et 1800 W.m-2.K-1, et plus particulièrement entre 500 et 700 W.m-2.K-1. [0008] Dans une variante, le four utilisé dans l'étape de mise en solution est un four choisi dans le groupe comprenant un four à lit fluidisé, un four à bain de sel, un four à bain de plomb et un four à bain d'huile. [0009] Dans une variante, l'étape de mise en solution a une durée inférieure à 45 minutes, de préférence inférieure à 30 minutes. [ooio] Dans une variante, le four utilisé dans l'étape de mise en solution est à une température entre 20°C et 150°C en dessous du solidus de l'alliage. [0011] Dans une variante, l'étape de trempe de la pièce s'effectue de la température de mise en solution de l'alliage à une température entre 0°C et 100°C. [0012] Dans une variante, l'étape de revenu de la pièce trempée s'effectue à une température entre 130°C et 200°C pendant quelques heures. [0013] Dans une variante, la pièce est en alliage d'aluminium, de préférence du type AISi9Cu3Mg(Fe)(Zn). [0014] La présente invention a également pour objet une pièce en alliage d'aluminium obtenue par moulage sous-pression caractérisée en ce qu'elle est ensuite traitée thermiquement par le procédé de traitement thermique défini plus haut. [0015] Dans une variante, la pièce a une masse supérieure à 500g de préférence entre 500g et 15kg. [0016] Dans une variante, la pièce est choisie dans le groupe comprenant les carters avec des inserts ferreux comme les carters chapeau de paliers vilebrequin. [0017] Enfin, l'invention a pour objet un véhicule comportant au moins une telle pièce en alliage d'aluminium. [oois] D'autres propriétés et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement. [0019] Il est proposé un procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'aluminium coulée sous-pression. Le procédé de traitement thermique contient tout d'abord une étape de mise en solution de la pièce dans un four. Le four de mise en solution est maintenu à une température inférieure au solidus de l'alliage. La pièce est alors maintenue à une température isotherme pour une durée d'au moins 10 minutes. Puis l'étape de mise en solution est suivie d'une étape de trempe de la pièce. Et l'étape de trempe de la pièce est suivie d'une étape de revenu de la pièce. [0020] Ce traitement thermique permet l'obtention de propriétés mécaniques pour des pièces en alliages d'aluminium se rapprochant de celles d'autres matériaux tels que l'acier ou la fonte. [0021] Ces pièces en alliage d'aluminium traitées selon l'invention remplacent alors les pièces traditionnellement en acier ou en fonte. Le remplacement de pièces en acier ou en fonte permet un gain en masse tout en assurant des propriétés mécaniques équivalentes. Ce gain en masse est particulièrement utile lorsque de telles pièces sont embarquées ou composent un véhicule. [0022] Ce procédé permet en outre de remplacer la présence d'inserts ferreux dans des pièces déjà réalisées en alliage d'aluminium mais insuffisamment résistantes. De telles pièces sont alors entièrement remplacées par des pièces en alliage d'aluminium traitées thermiquement suivant le procédé. Le remplacement de pièces avec des inserts par des pièces entièrement en alliage d'aluminium permet de diminuer la masse de ces pièces. [0023] Le procédé est proposé pour des pièces réalisées en alliages d'aluminium. Les pièces en alliage d'aluminium remplacent avantageusement les pièces en alliage de fer dans un objectif de légèreté. [0024] Le procédé est en outre proposé pour des pièces coulées sous-pression. Le moulage sous-pression est un procédé préféré pour la production en masse et à moindre coût de pièces ayant une bonne précision dimensionnelle. [0025] Le procédé de traitement thermique comprend une étape de mise en solution. Cette mise en solution s'effectue dans un four à une température inférieure au solidus de l'alliage. La température de mise en solution inférieure au solidus de l'alliage permet d'éviter la fusion de la pièce lors du traitement thermique. [0026] Une pièce obtenue par moulage sous-pression peut présenter des défauts dans son état brut de fonderie. [0027] Dans le cadre d'un traitement thermique de durcissement conventionnel, l'étape de mise en solution entraîne en outre une mise en solution solide des éléments d'alliage de la pièce moulée. La mise en solution solide permet par exemple de dissoudre différents éléments d'addition, composant l'alliage d'aluminium. La pièce est laissée dans le four de mise en solution le temps nécessaire pour obtenir la structure et l'homogénéisation voulues de l'alliage d'aluminium. [0028] Cette durée de maintien isotherme permet une configuration thermique homogène de la pièce. Cette configuration thermique homogène de la pièce rend possible une amélioration uniforme des propriétés mécaniques de l'alliage de la pièce. L'uniformité des propriétés mécaniques de l'alliage entraîne une amélioration des propriétés mécaniques de la pièce dans son ensemble. [0029] L'étape de mise en solution est suivie d'une étape de trempe de la pièce. Cette trempe est un refroidissement brutal de la pièce. Un tel refroidissement brutal permet de figer la structure particulière obtenue lors de la mise en solution. La combinaison de la mise en solution et de la trempe permet en définitive de conférer une structure particulière à la pièce en alliage d'aluminium. Une telle combinaison permet par exemple de maintenir à la température ambiante une solution solide d'alliage d'aluminium sursaturée en éléments d'addition. Une telle solution sursaturée est normalement métastable à température ambiante. Cette structure particulière obtenue sert d'état de base pour une autre étape du traitement thermique. [0030] Le procédé de traitement thermique comprend enfin une étape de maturation ou de revenu. Une pièce en alliage d'aluminium brut de trempe a de faibles propriétés mécaniques. L'étape de revenu permet d'obtenir une amélioration des propriétés mécaniques de cette pièce. L'étape de revenu, peut être effectuée à température ambiante (maturation). L'étape de revenu peut encore être effectuée selon le traitement thermique de type T6, c'est-à-dire que le revenu permet d'obtenir les propriétés mécaniques optimales. [0031] Le moulage sous-pression de pièces en alliage d'aluminium entraîne la formation de défauts à l'intérieur des pièces.. Dans ces défauts peuvent être occlus des gaz du type air ou résidus de décomposition du poteyage. Lors de l'application d'un traitement thermique conventionnel de durcissement d'un alliage d'aluminium, les gaz présents dans ces occlusions sont dilatés. La dilatation des gaz peut alors entraîner la déformation de la paroi extérieure des pièces par la formation de cloques. Par exemple à partir d'une température de 400°C, la résistance mécanique de certains alliages d'aluminium peut être suffisamment affaiblie n'empêche plus la formation de cloques. [0032] La combinaison de l'ensemble des étapes du procédé de traitement thermique tel que précédemment décrit limite la formation de cloques dues à la présence de gaz dans la pièce coulée en sous-pression. Ces cloques ont un impact néfaste sur la stabilité dimensionnelle et sur les propriétés mécaniques des pièces coulées et par conséquent sur la tenue mécanique des pièces. L'apparition de telles cloques empêche ainsi l'amélioration des propriétés mécaniques normalement conférée par le traitement thermique de la pièce. Ce procédé de traitement thermique permet en définitive l'amélioration globale des propriétés mécaniques de la pièce en alliage d'aluminium coulée sous-pression. [0033] En particulier ce procédé permet une amélioration des propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture, la résistance élastique à 0,2% et l'allongement à la rupture. Plus particulièrement, ce procédé permet une amélioration de l'ordre de 100% de la résistance élastique à 0,2%. [0034] De préférence l'étape de mise en solution s'effectue dans un four possédant un meilleur coefficient de transfert thermique que les fours conventionnels à air. Ainsi on préférera utiliser des fours dont le coefficient de transfert thermique est supérieur à 300 W.m-2.K-1. L'utilisation d'un four à coefficient thermique supérieur à 300 W.m-2.K-1 permet une montée en température plus rapide de la pièce lors de la phase de mise en solution d'où un risque faible de formation de cloques. Une telle montée en température plus rapide entraîne une diminution de la durée totale d'enfournement lors de l'étape de mise en solution. L'étape de mise en solution est alors plus courte tout en laissant une durée de maintien isotherme de la pièce supérieure à 10 minutes. Le maintien de la durée minimum de maintien isotherme permet de s'assurer de l'amélioration des propriétés mécaniques. [0035] De préférence encore on utilisera un four de mise en solution avec un coefficient de transfert thermique entre 500 et 1800 W.m-2.K-1. L'utilisation d'un tel four permet une montée en température encore plus rapide de la pièce lors de la mise en solution. [0036] On préférera enfin l'utilisation d'un four à coefficient à transfert thermique compris entre 500 et 700 W.m-2.K-1. De tels fours spécifiques sont par exemple des fours à lit fluidisé,. [0037] On utilisera dans l'étape de mise en solution un four préchauffé à la température voulue de mise en solution. La durée de mise en solution sera la durée totale d'enfournement de la pièce dans le four de mise en solution. [0038] De préférence la durée de l'étape de mise en solution est inférieure à 45 minutes. Une telle limitation de la durée de l'étape de mise en solution permet d'éviter la dilatation des gaz contenus dans des occlusions de la pièce moulée en sous- pression. La limitation de la durée de l'étape de mise en solution prévient ainsi la formation de cloques diminuant les propriétés mécaniques de la pièce en alliage d'aluminium coulée en sous-pression. [0039] L'étape de mise en solution peut être réduite à 30 minutes. Une telle réduction de la durée de cette étape permet de traiter thermiquement des pièces coulées en sous-pression qui présentent une santé interne moins bonne. c'est-à-dire des pièces présentant un plus grand nombre de défauts renfermant des gaz. Il est donc utile de prévoir une durée de mise en solution plus courte pour ces pièces qui présentent un plus grand risque de formation de cloques lors du traitement thermique. [0040] La température de réalisation de l'étape de mise en solution est de préférence comprise entre 20°C et 150°C en dessous du solidus de l'alliage. La température de mise en solution supérieure à 150°C en dessous du solidus de l'alliage permet une amélioration des propriétés mécaniques et une bonne homogénéisation de la pièce. Une telle température de mise en solution permet en outre d'obtenir l'amélioration des propriétés mécaniques et/ou l'homogénéisation voulue avec une durée de l'étape de mise en solution relativement courte. [0041] La température de mise en solution inférieure à la température de 20°C en dessous du solidus de l'alliage permet d'éviter la formation de brûlures au niveau de l'alliage. En effet, si la température de mise en solution est trop proche du solidus, l'alliage peut atteindre une température de fusion partielle d'un des constituants de l'alliage. Ces brûlures altèrent les propriétés mécaniques de l'alliage et donc de la pièce réalisée dans un tel alliage. Une telle limitation de la température de la mise en solution l'alliage permet en outre d'éviter la formation trop rapide de cloques due à une plus grande dilatation des gaz présents dans la pièce. [0042] L'étape de trempe peut être réalisée à l'aide d'un fluide de trempe. L'étape de trempe s'effectue de préférence de la température de mise en solution de l'alliage à une température entre 0°C et 100°C. La trempe à une température entre 0°C et 100°C permet un meilleur figeage de la structure obtenue lors de la mise en solution. L'utilisation d'une température de trempe entre 0°C et 100°C permet en outre l'utilisation de l'eau comme fluide de trempe. L'utilisation de l'eau est préférable à un fluide de trempe tel que l'huile ou eau additivée. En effet l'utilisation de l'eau comme fluide de trempe entraîne une amélioration des coûts de l'étape de trempe. Ensuite l'utilisation d'eau comme fluide de trempe permet aussi un meilleur respect des contraintes environnementales. [0043] L'étape de revenu de la pièce trempée s'effectue de préférence à une température entre 130°C et 200°C. Cet intervalle de température de revenu permet une amélioration plus rapide des propriétés mécaniques de l'alliage qu'une maturation effectuée à température ambiante. De plus cet intervalle de température est limitée à 200°C permettant d'éviter une dilatation trop importante des gaz contenus dans l'alliage. En définitive l'utilisation de cet intervalle de température permet une amélioration des propriétés mécaniques suffisantes sans risquer de voir apparaître des cloques sur la pièce revenue. [0044] L'alliage d'aluminium est de préférence de la famille des Aluminium Silicium. Les alliages d'aluminium de la famille aluminium silicium présentent particulièrement des problèmes de cloquage lors de traitement thermique. En effet la présence de Si induit lors de traitement thermique une globulisation particulièrement rapide. Cette globulisation rapide des particules de Si empêche l'utilisation de traitements thermiques conventionnels d'alliage d'aluminium. Le procédé de traitement thermique précédemment décrit est donc particulièrement adapté aux pièces en alliage de d'aluminium de la famille des aluminium silicium. [0045] L'utilisation du procédé de traitement thermique est en outre particulièrement avantageux pour les alliages d'aluminium du type AISi9Cu3Mg(Fe)(Zn). En effet de tels alliage sont des alliages ayant de bonnes propriétés mécaniques intrinsèques. Les alliages de ce type sont de plus des alliages dont le coût de fabrication est économique. [0046] II est ensuite proposé une pièce en alliage d'aluminium obtenue par moulage sous-pression traitée thermiquement selon le procédé de traitement thermique précédemment décrit. L'utilisation de ces pièces traitées selon le procédé précédemment décrit permet le remplacement de pièces réalisées généralement en alliage de fer, par exemple en acier ou en fonte. De plus l'ensemble de la pièce en alliage d'aluminium coulée sous-pression ainsi traitée bénéficie de l'augmentation des propriétés mécaniques. On peut ainsi également réduire localement les épaisseurs de la pièce tout en gardant la même résistance au niveau de la structure. En outre le gain au niveau de l'allégement des pièces en alliage d'aluminium ainsi traitées peut être de l'ordre de plusieurs kilogrammes. En définitive ces pièces traitées permettent un gain de masse pour des propriétés mécaniques se rapprochant de celles des matériaux ferreux. [0047] De préférence les pièces seront des pièces massives, c'est-à-dire des pièces dont la masse est supérieure à 500g. En effet plus les pièces sont massives et plus il est utile de chercher à gagner de la masse lors de la conception de telles pièces. En outre le procédé décrit précédemment s'adapte particulièrement bien aux pièces massives en ce qu'il assure un maintien isotherme de la pièce pour une durée d'au moins 10 minutes. Ces pièces massives présentent des épaisseurs minimales plus importantes que des pièces plus légères. Ces épaisseurs plus importantes empêchent généralement l'obtention d'un maintien isotherme de toute la pièce lors des phases de mise en solution. Ce maintien isotherme de la pièce est alors difficile à obtenir lorsque l'on applique les traitements thermiques conventionnels à des pièces massives. [0048] Les pièces traitées sont de préférence des pièces de masse inférieure à 15kg permettant l'utilisation de four connu sans obliger à une adaptation de ces fours particulière aux pièces de trop grande masse et/ou trop grande taille. [0049] Les pièces traitées thermiquement selon le procédé précédemment décrit sont en particulier les pièces soumises à des critères exigeants lors du dimensionnement mécanique. Les pièces traitées thermiquement selon le procédé précédemment cité possèdent alors les propriétés mécaniques suffisantes pour permettre un dimensionnement économique. [0050] Plus particulièrement les pièces traitées sont des pièces du type carter chapeau paliers vilebrequin, dont le dimensionnement en statique et fatigue est particulièrement recherché. Ces pièces peuvent être réalisées principalement en alliage d'aluminium pour des questions de légèreté. Cependant certaines parties de ces pièces sont soumises à des contraintes telles que l'on peut préférer l'adjonction d'inserts ferreux sur ces endroits. L'utilisation de pièces en alliages d'aluminium traités selon l'invention permet alors de s'affranchir de l'utilisation d'inserts ferreux dans ce type de pièces. La réalisation de ces pièces est alors facilitée en terme de temps et de coût de fabrication. [0051] Particulièrement les carters chapeau de paliers vilebrequin présentent en fonctionnement des zones à risques comme la zone de paliers de vilebrequin. L'utilisation d'inserts ferreux en fonte ou en acier fritté insérés à la coulée est alors évitée entraînant des gains en poids et en prix de la pièce. L'augmentation des propriétés mécaniques de l'alliage d'aluminium remplaçant les inserts ferreux dans les carters chapeau de paliers vilebrequin est aussi profitable aux autres zones sollicitées mécaniquement de la pièce. [0052] Enfin un véhicule comportant une ou des pièces réalisées en alliage d'aluminium coulées en sous-pression est un véhicule dont le temps et les coûts de fabrication sont diminués. De plus un tel véhicule est plus léger et possède donc une consommation plus économique. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'aluminium coulée sous-pression comprenant les étapes de mise en solution de la pièce dans un four préalablement préchauffé à une température en dessous du solidus de l'alliage ; de trempe de la pièce ; et de revenu de la pièce trempée ; caractérisé en ce que lors de l'étape de mise en solution, la pièce est maintenue à une température isotherme pour une durée d'au moins 10 minutes. 2. Procédé de traitement thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le four utilisé dans l'étape de mise en solution a un coefficient de transfert thermique supérieur à 300 W.m-2.K-1, de préférence entre 500 et 1800 W.m-2.K-1, et plus particulièrement entre 500 et 700 W.m-2.K-1 . 3. Procédé de traitement thermique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le four utilisé dans l'étape de mise en solution est un four choisi dans le groupe comprenant un four à lit fluidisé, un four à bain de sel, un four à bain de plomb et un four à bain d'huile. 4. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de mise en solution a une durée inférieure à 45 minutes, de préférence inférieure à 30 minutes. 5. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le four utilisé dans l'étape de mise en solution est à une température entre 20°C et 150°C en dessous du solidus de l'alliage. 6. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de trempe de la pièce s'effectue de la température de mise en solution de l'alliage à une température entre 0°C et 100°C. 7. Procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la pièce est en alliage d'aluminium, de préférence du type AISi9Cu3Mg(Fe)(Zn). 8. Pièce en alliage d'aluminium obtenue par moulage sous-pression caractérisée en ce qu'elle est ensuite traitée thermiquement par le procédé de traitement thermique selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Pièce selon la revendication 8 caractérisé en ce que la pièce a une masse supérieure à 500g de préférence entre 500g et 15kg. 10. Véhicule caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce selon la revendication 8 ou la revendication 9.