Brevet FR2950632A1 — publié le 20110401

ALLIAGES D'ALUMINIUM DESTINES A LA FONDERIE SOUS PRESSION [0001 La présente invention concerne des alliages d'aluminium destinés à être coulés en fonderie sous pression, et utilisés par exemple pour la réalisation de pièces mécaniques automobiles. L'invention concerne également un procédé de fabrication de tels alliages d'aluminium et de pièces en tels alliages. [0002] Les pièces coulées en fonderie sous pression par la Demanderesse et ses partenaires sont de préférence en AISi9Cu3, selon les normes de la 10 Demanderesse. [0003 A l'heure actuelle, les propriétés mécaniques à chaud de certains alliages tel que cet alliage en AISi9Cu3 sont insuffisantes pour des pièces automobiles particulièrement sollicitées, notamment pour obtenir des moteurs plus puissants ou des moteurs aussi puissants mais de dimensions 15 inférieures. [0004] Compte tenu de ce qui précède, le problème technique que se propose de résoudre l'invention est de fournir un alliage d'aluminium permettant d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces par rapport aux alliages d'aluminium existants et, notamment, en ce qui concerne leur tenue 20 à chaud. [0005] La solution à ce problème posé a pour premier objet un alliage d'aluminium du type AlSiCu comportant au moins du silicium (Si) représentant entre 5,5 et 13% en poids du poids total de l'alliage, du cuivre (Cu) représentant moins de 3,8%, en poids du poids total de l'alliage et un 25 complément en aluminium (Al), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ou plusieurs éléments chimiques choisis parmi le lanthane (La), le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd), le prométhium (Pm), le samarium (Sm), l'europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l'holmium (Ho), l'erbium (Er), le thulium (Tm), l'ytterbium (Yb), le lutétium (Lu), l'yttrium (Y) et le scandium (Sc) représentant entre 0,01 et 20% en poids du poids total de l'alliage. [0006] L'invention a pour second objet un procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium, dans lequel on ajoute à un alliage d'aluminium de base comportant au moins du silicium (Si) représentant entre 5,5 et 13% en poids du poids total de l'alliage, du cuivre (Cu) représentant moins de 3,8%, en poids du poids total de l'alliage et un complément en aluminium (Al), un ou plusieurs éléments chimiques choisis parmi le lanthane (La), le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd), le prométhium (Pm), le samarium (Sm), l'europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l'holmium (Ho), l'erbium (Er), le thulium (Tm), l'ytterbium (Yb), le lutétium (Lu), l'yttrium (Y) et le scandium (Sc) pour représenter entre 0,01 et 20% en poids du poids total de l'alliage, l'alliage ainsi préparé étant ensuite coulé en fonderie sous pression . [0007] L'invention concerne également une pièce mécanique d'un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un alliage selon l'invention. [000si L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé non limitatif qui va suivre. [0009] La demanderesse a trouvé, de manière surprenante, qu'en dopant un alliage d'aluminium de base du type AlSiCu et plus précisément AISi9Cu3, par ajout des éléments chimiques appartenant à la famille des terres rares (numéros atomiques de 57 à 71), de l'yttrium et/ou du scandium qui présentent des propriétés chimiques proches de celles des terres rares, à cet alliage d'aluminium de base, ce dernier présente des caractéristiques mécaniques améliorées et, plus particulièrement, une meilleure tenue à chaud. [0010 En pratique, les additifs choisis parmi le lanthane (La), le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd), le prométhium (Pm), le samarium (Sm), l'europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l'holmium (Ho), l'erbium (Er), le thulium (Tm), l'ytterbium (Yb), le lutétium (Lu), l'yttrium (Y) et/ou le scandium (Sc), sont ajoutés à l'alliage d'aluminium de base rendu liquide. Le mélange est ensuite agité pour permettre une meilleure répartition des divers éléments. Un tel alliage est ensuite mis en forme par un procédé de fonderie sous pression, analogue aux procédés classiques. L'agitation de l'alliage avant sa mise en forme permet d'obtenir une composition chimique et une répartition la plus homogène possible des additifs dans la pièce finie et donc des propriétés comparables dans toute la pièce réalisée avec un tel alliage. Le domaine d'utilisation d'une pièce constituée d'un tel alliage est similaire à celui d'une pièce composée d'un alliage d'aluminium usuel de fonderie sous pression. [0011] Les différents additifs jouent chacun un rôle particulier dans l'amélioration des propriétés à chaud de l'alliage d'aluminium. Selon la teneur en chacun de ces éléments, l'alliage présente des caractéristiques mécaniques particulières. [0012] De plus, l'ajout de certains de ces éléments permet d'obtenir un meilleur remplissage du moule lors de la mise en forme de la pièce. De ce fait, la santé matière de la pièce est améliorée, ce qui rend un traitement thermique possible. Or, un traitement thermique bien choisi qui dépend de la composition chimique permet d'améliorer de manière significative les caractéristiques mécaniques de la pièce. [0013] Ainsi, selon l'invention, l'addition de terres rares et/ou d'éléments tels que l'yttrium et le scandium ayant des propriétés proches de celles des terres rares permet d'améliorer d'environ 20%, les propriétés mécaniques des pièces en un tel alliage, telles que la tenue à chaud de pièces mécaniques et permet donc d'atteindre des exigences plus poussées pour leur utilisation, notamment dans des moteurs plus puissants ou plus petits à puissance égale, tout en permettant également une diminution du coût de revient de ces pièces. [0014] La solution proposée par l'invention peut s'avérer utile notamment pour atteindre les objectifs des futures normes environnementales en matière de pollution grâce à l'allègement des moteurs. [0015] Toutefois, une amélioration des propriétés de la tenue à chaud d'un alliage d'aluminium par dopage aux terres rares peut être intéressante pour des domaines variés. [0016] Ainsi, l'alliage selon l'invention peut être utilisé pour tout type de pièces. Les caractéristiques mécaniques étant supérieures à celles des alliages habituellement utilisés en fonderie sous pression, pour obtenir un optimum technico-économique, l'alliage est préférentiellement réservé à des pièces pour lesquelles les alliages actuels sont à leur limite de résistance. [0017] Un exemple de réalisation d'alliage peut être constitué d'un alliage de base du type AISiCu, de préférence AISi9Cu3, qui comprend entre 5,5 et 13% de silicium (Si), de préférence entre 8 et 10 %, moins de 3,80% de cuivre (Cu) de préférence entre 2,7 et 3,7%, et moins de 0,4% de magnésium (Mg), de préférence entre 0,1 et 0,3%, respectivement en poids par rapport au poids total de l'alliage. [0018] De manière avantageuse, une telle base d'alliage peut comprendre également du fer (Fe) représentant moins de 1,0% en poids du poids total de l'alliage. [0019] De plus, ladite base peut comprendre du manganèse (Mn) dans une quantité inférieure ou égale à 0,60% en poids du poids total de l'alliage, du nickel (Ni) dans une quantité inférieure ou égale à 0,50% en poids du poids total de l'alliage, du zinc (Zn) dans une quantité inférieure ou égale à 1,2% en poids du poids total de l'alliage, du plomb (Pb) dans une quantité inférieure ou égale à 0,20% en poids du poids total de l'alliage, de l'étain (Sn) dans une quantité inférieure ou égale à 0,20% en poids du poids total de l'alliage et du titane (Ti) dans une quantité inférieure ou égale à 0,20% en poids du poids total de l'alliage. [0020] Un procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium selon l'invention comprend une étape de mélange dans laquelle on fournit, d'une part, un alliage d'aluminium de base fondu, et en ce que l'on ajoute, d'autre part, des additifs tels que ci-dessus. [0021] De façon avantageuse, dans ledit procédé selon l'invention, on ajoute lesdits additifs lorsque ladite base est à l'état liquide. [0022] Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le procédé de fabrication d'un alliage aluminium par fonderie sous pression comprend les différentes étapes suivantes, selon lesquelles : ûl'alliage de base est fondu dans un four de fusion de 720 à 790°C, - on mélange les additifs dans les proportions choisies à l'alliage de base fondu dans un four de maintien à une température comprise entre 640 et 690 °C ; - on agite le mélange au niveau du four à l'aide d'un système d'agitation pour homogénéiser la composition du nouvel alliage ; - on injecte ledit nouvel alliage dans un moule métallique préchauffé et lubrifié, la vitesse d'entrée du métal dans le moule étant comprise entre 45 et 60 m.s-1 et le temps de remplissage est de l'ordre de 0,1 s. - on applique une pression comprise entre 650 à 1200 bar en pression rendue sur le métal pendant 5 à 15 sec. [0023] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un moteur automobile dont le métal d'apport est un alliage selon l'invention. [0024] Elle concerne en outre une pièce mécanique d'un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un alliage selon l'invention. De façon avantageuse, ladite pièce mécanique est un moteur automobile. [0025] On décrira maintenant un exemple de réalisation d'un alliage d'aluminium selon l'invention. Dans cet exemple de réalisation, la composition d'une pièce en alliage selon l'invention, en masse, est la suivante : Minimum Maximum Elément Cuivre (Cu) 2,7% 3,7% Silicium (Si) 8,0% 10,0% Magnésium (Mg) 0,1% 0,3% Fer (Fe) 0% 1,0% Manganèse (Mn) 0% 0,60% Nickel (Ni) 0% 0,50% Zinc (Zn) 0% 1,2% Plomb (Pb) 0% 0,2% Etain (Sn) 0% 0,2% Titane (Ti) 0% 0,2% Additif(s) 0,01% 20% (mélange terres rares/Y/Sc) qsp 100% Aluminium (Al) qsp 100% REVENDICATIONS1. Alliage d'aluminium du type AlSiCu comportant au moins du silicium (Si) représentant entre 5,5 et 13% en poids du poids total de l'alliage, du cuivre (Cu) représentant moins de 3,8%, en poids du poids total de l'alliage et un complément en aluminium (Al), caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ou plusieurs éléments chimiques choisis parmi le lanthane (La), le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd), le prométhium (Pm), le samarium (Sm), l'europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l'holmium (Ho), l'erbium (Er), le thulium (Tm), l'ytterbium (Yb), le lutétium (Lu), l'yttrium (Y) et le scandium (Sc) représentant entre 0,01 et 20% en poids du poids total de l'alliage. 2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cuivre (Cu) représente de préférence entre 2,7 et 3,7% en poids du poids total de l'alliage. 3. Alliage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le silicium (Si) représente de préférence entre 8 et 10% en poids du poids total de l'alliage. 4. Alliage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend du magnésium (Mg) représentant moins de 0,4% en poids du poids total de l'alliage, de préférence entre 0,1 et 0,3% en poids du poids total de l'alliage. 5. Alliage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit alliage comprend en outre du fer (Fe) représentant moins de 1,0% en poids du poids total de l'alliage.. 6. Alliage selon l'une des 1 à 5, caractérisé en ce que l'alliage comprend en outre du manganèse (Mn) dans une quantité inférieure ou égale à 0,60% en poids du poids total de l'alliage, du nickel (Ni) dans une quantité inférieure 7ou égale à 0,50% en poids du poids total de l'alliage, du zinc (Zn) dans une quantité inférieure ou égale à 1,2% en poids du poids total de l'alliage, du plomb (Pb) dans une quantité inférieure ou égale à 0,20% en poids du poids total de l'alliage, de l'étain (Sn) dans une quantité inférieure ou égale à 0,20% en poids du poids total de l'alliage et du titane (Ti) dans une quantité inférieure ou égale à 0,20% en poids du poids total de l'alliage. 7. Procédé de fabrication d'un alliage d'aluminium, dans lequel on ajoute à un alliage d'aluminium de base comportant au moins du silicium (Si) représentant entre 5,5 et 13% en poids du poids total de l'alliage, du cuivre (Cu) représentant moins de 3,8%, en poids du poids total de l'alliage et un complément en aluminium (Al), un ou plusieurs éléments chimiques choisis parmi le lanthane (La), le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd), le prométhium (Pm), le samarium (Sm), l'europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l'holmium (Ho), l'erbium (Er), le thulium (Tm), l'ytterbium (Yb), le lutétium (Lu), l'yttrium (Y) et le scandium (Sc) pour représenter entre 0,01 et 20% en poids du poids total de l'alliage, l'alliage ainsi préparé étant ensuite coulé en fonderie sous pression. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on ajoute lesdits additifs lorsque ledit alliage de base est à l'état liquide. 9. Procédé selon la revendication 8, selon lequel : - l'alliage de base est fondu dans un four de fusion à 720°C-790°C, - on mélange les additifs dans les proportions choisies à l'alliage de base fondu dans un four de maintien à une température comprise entre 640 et 690 °C ; -on agite le mélange au niveau du four à l'aide d'un système d'agitation pour homogénéiser la composition du nouvel alliage ; - on injecte ledit nouvel alliage dans un moule métallique préchauffé et lubrifié, la vitesse d'entrée du métal dans le moule étant comprise entre 45 et 60 m.s-1 et le temps de remplissage est de l'ordre de 0,1 s ;-on applique une pression comprise entre 650 à 1200 bar en pression rendue sur le métal pendant 5 à 15 sec. 10. Pièce mécanique d'un véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un alliage selon l'une des revendications 1 à 5.