Brevet FR2979354A1 — publié le 20130301

PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE PIECE EN ALLIAGE D'ALUMINIUM La présente invention concerne un procédé de traitement de pièces en alliage d'aluminium, destinées en particulier à des véhicules automobiles, ainsi que des pièces réalisées avec un tel procédé. Les véhicules automobiles utilisent de plus en plus des alliages légers comme des alliages d'aluminium en remplacement de métaux ferreux, pour réduire la masse de ces véhicules, ce qui permet de diminuer les consommations ainsi que les émissions de gaz polluants. Un problème qui se pose avec ces alliages d'aluminium, est que suivant le type de pièces réalisées on peut rechercher au moins localement sur ces pièces, des caractéristiques mécaniques élevées. Une solution pour renforcer les pièces réalisées à partir d'une fonderie d'alliage d'aluminium, consiste à insérer lors de la fonderie un insert en acier pour obtenir localement des meilleures caractéristiques. Cette solution est utilisée par exemple pour renforcer les parois situées entre les cylindres du bloc du moteur thermique, ces zones étant fortement sollicitées par des contraintes mécaniques ainsi que thermiques. Toutefois la pose d'un insert en acier dans une fonderie est une solution 20 complexe qui augmente la masse de la pièce, et qui comporte un coût élevé. Pour améliorer les caractéristiques mécaniques d'un alliage d'aluminium, il est connu de réaliser un traitement thermique du type « T6 » ou « T7 », comprenant une mise en solution d'au moins un élément de l'alliage par un chauffage à une température élevée, puis une trempe pour 25 figer cet état de solution solide, et enfin un revenu par un maintien à une température moyenne pour obtenir un durcissement structural. On peut chercher aussi à obtenir des résistances mécaniques encore plus élevées. Un procédé complémentaire permettant d'améliorer les caractéristiques 30 d'un alliage d'aluminium, présenté notamment par le document WO-A1- 2009/132436, effectue entre la trempe et le revenu de cet alliage en feuille destiné à former des panneaux de porte, une déformation plastique importante de l'épaisseur de ce panneau notamment par laminage à froid entre des rouleaux, avec un taux de laminage supérieur à 50%. On réalise ainsi un affinage du grain métallurgique, qui après l'opération de revenu donne un durcissement plus important de la matière. Par ailleurs, d'autres procédés de déformation plastique peuvent être utilisés appliquant une traction, une compression, ou un cintrage par le coulissement d'un profilé d'alliage dans une matrice comportant une courbure, suivant un procédé appelé « ECAP » (Equal Channel Angular Pressing). Toutefois l'ensemble de ces procédés de déformation plastique présentés par l'art antérieur, réalisent une déformation globale de toute la matière dans son épaisseur, à partir de pièces brutes comprenant des formes géométriques simples. Ces procédés réalisent généralement une déformation de la pièce complète, ils ne conviennent pas pour des ébauches ou des pièces finis comprenant des formes complexes, ou pour les cas où l'on veut obtenir de manière locale une amélioration des caractéristiques mécaniques. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, en proposant un procédé qui permet d'améliorer de manière simple et efficace les caractéristiques mécaniques d'un alliage d'aluminium. Elle propose à cet effet un procédé de traitement de pièces réalisées en alliage d'aluminium, formant des ébauches de fabrication ou des pièces finies, ce procédé comprenant un traitement thermique comportant un chauffage pour une mise en solution d'au moins un élément de l'alliage, puis une trempe suivie d'un revenu par un maintien en température, caractérisé en ce qu'entre la trempe et le revenu on effectue une opération d'écrouissage de surfaces de ces pièces, réalisant une déformation plastique multidirectionnelle de la sous-couche de ces surfaces. Un avantage du procédé de traitement selon l'invention, est que par l'écrouissage qui peut être réalisé de manière simple et économique, on forme pour les surfaces traitées correspondant aux zones les plus sollicitées de la pièce, une sous-couche comprenant un affinage des grains métallurgiques améliorant après le revenu la résistance mécanique de ces zones. Le procédé de traitement selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. En particulier, l'opération d'écrouissage peut être réalisée seulement sur une partie des surfaces des pièces. Selon un mode de réalisation, l'opération d'écrouissage est réalisée par un procédé de grenaillage des pièces. Le grenaillage peut être réalisé de manière sélective sur une partie des 15 surfaces, par une machine comportant des buses ou des turbines de grenaillage envoyant des jets de billes orientés. Selon un autre mode de réalisation, l'opération d'écrouissage est réalisée par un procédé de martelage par des éléments de frappe mis en mouvement, comme des aiguilles. 20 Selon un autre mode de réalisation, l'opération d'écrouissage est réalisée par un procédé de galetage mettant en oeuvre des galets roulants. Avantageusement, la sous-couche subissant la déformation plastique multidirectionnelle, comporte une épaisseur qui est de l'ordre de 1,5 à 2mm. L'invention a aussi pour objet une pièce en alliage d'aluminium, 25 subissant un traitement comprenant un procédé comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. Selon un mode de réalisation, la pièce est obtenue par un procédé de fonderie ou de forgeage de cet alliage. En particulier, la pièce peut constituer un bloc moteur ou une culasse 30 obtenu par un procédé de fonderie et destiné à un moteur à combustion interne, ou un élément de train roulant de véhicule obtenu par un procédé de forgeage. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, 5 donnée à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma montrant en coupe une bille de grenaillage venant impacter la surface d'une pièce en alliage d'aluminium ; - la figure 2 est un schéma montrant les contraintes internes sur la couche après l'impact de la bille ; 10 - la figure 3 est une vue détaillée une coupe d'un grain métallurgique de la sous-couche avant le grenaillage ; et - la figure 4 est une vue de ce grain après le grenaillage. La figure 1 présente une bille de grenaillage 6 d'un matériau très dur, comportant un petit diamètre de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres, 15 qui vient percuter avec une grande vitesse la surface 4 d'une pièce 2 réalisée dans un alliage d'aluminium. La pièce 2 peut être réalisée notamment par fonderie, par forgeage à froid ou à chaud, ou par usinage. La surface grenaillée 4 comporte globalement sa forme définitive, elle peut constituer une ébauche recevant 20 ensuite un usinage de finition, ou être utilisée telle quelle après le traitement. La pièce 2 a subi préalablement les premières étapes d'un traitement thermique du type T6 ou T7, comprenant une chauffe à une température comprise entre 450 et 550°C selon la nature de l'alliage, qui répartit de manière homogène les éléments d'addition dans la matrice en mettant en 25 solution au moins un de ces éléments, puis une trempe comprenant un refroidissement rapide pour maintenir à température ambiante la solution sursaturée. Après ces opérations, le grenaillage appelé aussi « shot peening », réalise un martellement ou un écrouissage à froid de la surface traitée 4 par 30 la succession des chocs, chaque bille 6 formant sur cette surface un petit creux 8. 2 9 79354 La figure 1 présente pour simplifier un seul creux 8, la durée du grenaillage étant prévue pour que la totalité de la surface à traiter 4 reçoive des billes 6 de manière homogène, de manière à présenter un recouvrement des creux 8 formant une continuité de l'écrouissage sur toute cette surface. 5 La figure 2 présente l'état de la sous-couche 22 en dessous d'un creux 8 après l'impact d'une bille 6. La matière située sous le creux 8 a subi suivant une épaisseur « e », une déformation plastique 20 pour former ce creux. On constate alors que la sous-couche 22 ayant subi la déformation plastique, comporte une contrainte interne de compression a due au 10 déplacement de cette matière. Quand le grenaillage est terminé, il a traité de manière constante toute la surface 4, et la sous-couche 22 est sensiblement uniforme, avec une épaisseur « e » qui est de l'ordre de 1,5 à 2mm. Les figures 3 et 4 présentent un autre effet du grenaillage dans la sous- 15 couche 22. La figure 3 présente sur une coupe de la sous-couche 22, un grain métallurgique 30 après les opérations de chauffage et de trempe du traitement thermique, comportant un diamètre de quelques millimètres. Chaque grain 30 comporte à l'intérieur une certaine régularité d'empilement 20 des atomes. La figure 4 présente ce grain 30 après l'opération de grenaillage, qui s'est fracturé en grains de taille réduite 40 par les effets de la déformation plastique de la matière. De plus dans les grains réduits 40 l'empilement régulier des atomes se 25 disloque en créant des défauts atomiques au niveau de la nano-structure, qui vont favoriser la mobilité des atomes lors de l'opération suivante de revenu. Le revenu ou vieillissement accéléré, réalisé à une température comprise entre 150 et 230°C selon l'alliage, accélère la précipitation des composés intermétalliques, qui entraîne un blocage des dislocations nano- 30 structurales et le durcissement du matériau. Le durcissement va être d'autant plus important que la dislocation créée par le grenaillage aura été fine, les propriétés mécaniques du matériau sont ainsi améliorées dans la sous-couche 22. Le grenaillage peut être réalisé de manière uniforme sur toute la surface 4 de la pièce 2, quelque soit la complexité de ses formes, notamment par une machine comprenant une ou plusieurs turbines qui projettent dans une chambre les billes dans toutes les directions, pour améliorer les caractéristiques mécaniques sur l'ensemble de cette pièce. Un autre procédé de grenaillage utilise les ultra-sons, pour donner une énergie cinétique aux billes qui viennent marteler les surfaces de la pièce. Le grenaillage peut aussi être réalisé de manière sélective sur une partie des surfaces 4, notamment par une machine comportant des buses de grenaillage envoyant des jets de billes orientés de manière précise pour traiter uniquement ces parties, afin d'améliorer les caractéristiques mécaniques seulement sur les zones de la pièce les plus sollicitées. On peut ainsi notamment par ce procédé, éliminer la pose d'inserts en acier dans les zones les plus sollicitées d'une pièce en alliage d'aluminium. En particulier, on peut supprimer la pose d'inserts sur un bloc d'un moteur à combustion interne réalisé en fonderie, dans les zones fortement sollicitées mécaniquement et thermiquement situées entre les cylindres. On peut traiter de la même manière des culasses de bloc moteur. Avantageusement, on réalisera sur ces grandes pièces un grenaillage sélectif de ces zones fortement sollicitées. Le procédé peut aussi avantageusement s'appliquer sur des pièces de train roulant de véhicule réalisées en alliage d'aluminium forgé, comme des brides de fixation d'amortisseurs, des traverses de train arrière ou des entretoises d'appui de fusée de roue. Après le grenaillage les surfaces traitées 4 peuvent être ensuite laissées telles quelles pour monter la pièce ainsi finie, ou retouchées si nécessaire pour rectifier la géométrie de ces surfaces suivant une faible épaisseur, de manière à conserver la sous-couche 22 qui a subi la déformation plastique. Le procédé de grenaillage est simple et économique, il peut facilement être mis en ligne dans une chaine de production en grande série du type automobile, entre les différentes opérations de traitement thermique pour garder une ligne de production continue. En variante, on peut utiliser d'autres procédés d'écrouissage de la surface 4 réalisant de manière similaire une déformation plastique multidirectionnelle de la sous-couche 22, comme un procédé de martelage comportant des aiguilles de frappe mises en mouvement par un système pneumatique ou par des ultra-sons, ou de galetage mettant en oeuvre des galets roulants qui se déplacent en appuyant sur toute la surface. Le procédé est particulièrement adapté pour des pièces de véhicules automobiles, qui doivent être les plus légères possibles tout en résistant à des contraintes élevées. REVENDICATIONS1 - Procédé de traitement de pièces (2) réalisées en alliage d'aluminium, formant des ébauches de fabrication ou des pièces finies, ce procédé comprenant un traitement thermique comportant un chauffage pour une mise en solution d'au moins un élément de l'alliage, puis une trempe suivie d'un revenu par un maintien en température, caractérisé en ce qu'entre la trempe et le revenu on effectue une opération d'écrouissage de surfaces (4) de ces pièces (2), réalisant une déformation plastique multidirectionnelle de la sous-couche (22) de ces surfaces. 2 - Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération d'écrouissage est réalisée seulement sur une partie des surfaces (4) des pièces (2). 3 - Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération d'écrouissage est réalisée par un procédé de grenaillage des pièces (2). 4 - Procédé de traitement selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le grenaillage est réalisé de manière sélective sur une partie des surfaces (4), par une machine comportant des buses ou des turbines de grenaillage envoyant des jets de billes orientés. 5 - Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération d'écrouissage est réalisée par un procédé de martelage par des éléments de frappe mis en mouvement, comme des aiguilles. 6 - Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'opération d'écrouissage est réalisée par un procédé de galetage mettant en oeuvre des galets roulants. 7 - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sous-couche (22) subissant la déformation plastique multidirectionnelle, comporte une épaisseur (e) qui est de l'ordre de 1,5 à 2mm. 8 - Pièce en alliage d'aluminium, caractérisée en ce qu'elle subit un traitement comprenant un procédé réalisé suivant l'une quelconque des revendications précédentes. 9 - Pièce en alliage d'aluminium suivant la revendication 8, caractérisée 5 en ce qu'elle est obtenue par un procédé de fonderie ou de forgeage de cet alliage. 10 - Pièce en alliage d'aluminium suivant la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle constitue un bloc moteur ou une culasse obtenu par un procédé de fonderie et destiné à un moteur à combustion interne, ou 10 un élément de train roulant de véhicule obtenu par un procédé de forgeage.