Brevet FR3004730A1 — publié le 20141024

-1 - La présente invention concerne un alliage de fonderie à base d'aluminium résistant à des hautes températures et une méthode d'élaboration de cet alliage juste avant son utilisation. Il existe un alliage à base d'aluminium pour des culasses [1] W00071765A1. Cet alliage dispose de bonnes caractéristiques mécaniques à une température ambiante. L'inconvénient de cet alliage est qu'il manque de nickel et de zirconium pour le rendre encore plus résistant à de hautes températures. Il existe un autre alliage à base d'aluminium [2] DE19925666C1. L'inconvénient de cet alliage pour être encore plus résistant à de hautes températures est l'insuffisance de cuivre et de nickel et le manque de zirconium. Il existe un autre alliage à base d'aluminium [3] EP1524324A2. Cet alliage contient du silicium, du nickel et du zirconium. L'inconvénient de cet alliage est qu'il manque de cuivre. Il existe un autre alliage à base d'aluminium [4] W02008053363A2. L'alliage 15 contient un pourcentage hyper eutectique de silicium ( >13 %) mais aussi du cuivre, du hickel et d'autres composants. Cet alliage ne contient pas de zirconium. Il existe un autre alliage à base d'aluminium [5] US6399020 qui contient un pourcentage eutectique ou hyper eutectique de silicium et aussi du nickel, du magnésium, du manganèse, du titane et du zirconium. La quantité de cuivre dans 20 cet alliage est trop élevée - plus de 5.6 %. Il existe d'autres alliages à base d'aluminium [6] EN_1706 plus précisément dans le groupe EN AC 45000 ( exemples 45000, 45100, 45200, 45300) et dans le groùpe EN AC 46000 (exemples 46200, 46300, 46600) utilisés à de températures élevées. L'inconvénient de ces alliages est le manque de zirconium pour tous types 25 et l'insuffisance de nickel si le silicium ne dépasse pas les10°/0. Le but de cette invention est de créer un alliage de fonderie à base d'aluminium résistant à de hautes températures et une méthode d'élaboration de cet alliage entre sa fusion et son utilisation, juste avant l'utilisation, à savoir la coulée dans un moule en sable ou dans un moule en acier par toutes les méthodes de 30 fonderie possibles (par exemple coulée par gravité ou coulée sous basse pression). L'objectif est obtenu par la création d'un alliage de fonderie à base d'aluminium qui contient comme composants principaux du silicium de 6.0 à 9.5 %, du cuivre de 2.0 à 4.0 'Yo, du magnésium de 0.2 à 0.6 %, du manganèse de 0 à 0.5 %, du titane de 0.08 à 0.22 %, du strontium de 0.015 à 0.04 °/0, du nickel, du 35 zirconium, et d'autres composants non principaux comme du zinc de 0 à 0.3 %, du fer de 0 à 0.3 % et d'autres de 0 à 0.05 % (la somme des quantités des autres est au maximum de 0.15 c'/0), caractérisé en ce que la quantité du nickel est de 0.6 à 0.9 % et la quantité du zirconium est de 0.08 à 0.22%. et la quantité de composants - 2 - cuivre et nickel est préprogrammée à une proportion cuivre/nickel supérieure à 33/10. L'objectif est obtenu aussi par la création d'un procédé d'élaboration de l'alliage selon l'invention qui consiste, juste avant l'utilisation, en un malaxage, une vérification de la composition chimique du liquide par prélèvement et une désoxydation du volume liquide, caractérisée en ce que avant la désoxydation, on ajoute de petites quantités de zirconium de 0.01 à 0.02 °/0, de titane de 0.01 à 0.02 % et de strontium de 0.003 à 0.007 °/0. Selon un autre aspect de l'invention, si la proportion cuivre/nickel est inférieure de 33/10 après la vérification de la composition chimique, on corrige la quantité de cuivre pour atteindre et dépasser la proportion minimum de 33/10. Un exemple d'utilisation de l'alliage élaboré selon l'invention est illustré dans les Fig.1, Fig.2, Fig.3 et 4. - La Fig.1 présente la microstructure (x50) de l'alliage selon l'invention 15 développée après la coupe d'un échantillon illustré au dessus à gauche. - La Fig.2 est une comparaison de l'alliage de l'invention avec un autre alliage en utilisant les courbes de solidification des alliages et l'analyse de phases. - La Fig.3 présente une agrandissement de la microstructure (x200) avec le descriptif des phases observées. 20 - La Fig.4 est l'illustration des valeurs de mesure de SDAS. La microstructure (x50) Fig.1 a été développée sur la coupe d'un échantillon réel illustré au dessus à gauche sur la microstructure. L'échantillon a été coulé dans un moule en sable par gravité. On voit que la structure est homogène, les branches 25 des dendrites sont très largement développées et l'eutectique binaire (ai-Si) est bien partagé entre les dendrites d'un côté et les branches des dendrites de l'autre côté. Cette proportion domine sur plus de 80% de la surface examinée, ce qui est un très bon indicateur pour l'homogénéité de l'alliage et la rapidité de la solidification provoquée par la présence de Ti et Zr en même temps dans les quantités selon 30 l'invention. L'ajout au dernier moment de composants stimulateurs de l'affinage comme le titane (Ti) et le zirconium (Zr) et d'un modificateur comme le strontium (Sr) prolonge leurs effets dans la durée de tenue d'alliage liquide. Fig.2 illustre une comparaison entre l'alliage de l'invention (3) avec un autre 35 alliage par les courbes de solidification. L'alliage de l'invention est comparé avec l' alliage "standard" AlSi7Cu3MgTi (1). La solidification d'un autre alliage élaboré spécialement pour cette comparaison AlSi7Cu3NiMgTi (2) est présent également pour mesurer séparément l'influence des deux composants Ni et Zr. - 3 - Le début de solidification démarre à la température 597 ± 2°C - température presque identique pour les 3 compositions chimiques. Le début de formation d'eutectiques binaires et ternaires est observé vers la température - 556 ± 2°C - température presque identique pour les 3 compositions 5 chimiques. A la température d'environ 531± 2°C on observe le début d'une ou plusieurs réactions péritectiques - uniquement pour les alliages (2) et (3) . Cet effet n'est pas du tout observé sur la courbe d'alliage (1) L'alliage (1) ne présente aucune modification de phases à cette température. 10 La température de formation d'eutectique quaternaire - 500 ± 2°C - est parfaitement identifiée pour l'alliage (1). A cette température les deux autres alliages (2) et (3) ne comportent pas du tout (ou très peu) de phase liquide (L) pour former de 6-cristaux (CuA14). A la température de 531°C il existe un équilibre péritectique dont la formule 15 est probablement: L+ Mg2Si a + Si + (Al6Cu3Ni4) + (A14CuMg5Si4). Cette réaction péritectique est favorisée par la solubilité idéale entre le nickel (Ni) et le cuivre (Cu). Grâce à cette réaction péritectique la quantité de cuivre dans la phase liquide diminue plus rapidement et il n'y a presque pas de phase liquide à 20 la température 498°C pour former d'eutectique quaternaire contenant la phase e (CuAl2). La composition chimique de ces alliages est présentée par le tableau suivant: Alliage 1 Composants Si Cu Mg Ni Mn Ti Zr Fe Zn Sr [ppm] P [ppm] Pb [ppm] [%1 [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] (1) - AlSi7Cu3MgTi 7.34 2.91 0.34 0.01 0.14 0.15 0.00 0.16 0.00 341 14 127 (2) - AlSi7Cu3NiMgTi 7.42 2.90 0.38 0.60 0.25 0.08 0.00 0.11 0.00 130 10 92 (3)-AlSi7Cu3NiMgTiZr 7.09 2.46 0.32 0.68 0.25 0.13 0.11 0.12 0.01 242 10 84 25 Fig.3 est une agrandissement x200 de la microstructure de l'alliage selon l'invention. Les phases observées sont numérotées comme suite: 30 (1) : : : : : a - cristaux primaires; (2) a+Si - eutectique binaire; (3) a+Si+ T(Al6Cu3Ni4) - eutectique ternaire; (4) a+Si+ Q(A14CuMg5Si4)* - autre eutectique ternaire; (5) a+Si+ Q(A14CuMg5Si4)*+G(CuAl2) - traces d'eutectique quaternaire. *D'autres sources préfèrent l'intermétalliques type Q(A15Cu2Mg8Si6), S'(Al2CuMg) et encore d'autres types. - 4 - La définition du type d'intermétalliques ne change rien pour cet exemple qui a pour but de montrer l'observation de la réaction péritectique en présence de Ni dans la composition chimique de l'alliage en quantité selon l'invention. Enfin la Fig.4 montre la mesure d'espacement des bras de dendrites et le calcul de la valeur de SDAS. Rappel de la définition de SDAS: Pendant la solidification les cristaux d'aluminium se développent sous forme d'arborescences (dendrites) dont les bras secondaires sont espacés de quelques dizaines de microns, cette distance est appelée "Espacement des bras de dendrite = SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing)". La valeur calculée SDAS = 27 pm est une valeur largement au dessous des autres alliages avec des compositions chimiques différentes de cette invention et dans les mêmes conditions de solidification. En ce qui concerne la proportion cuivre/nickel > 33/10 - cette proportion est souhaitée pour favoriser la production de phases type A13(Ni,Cu)2 et Al6Cu3Ni au lieu de NiA13. L'engagement du nickel dans la phase NiA13, diminue la probabilité de la réaction péritectique. L'absence de la réaction péritectique augmentera la quantité de l'eutectique quaternaire - a+Si+ Q(A14CuMg5Si4)+G(CuAl2) suite à la présence d'une plus grande quantité de phase liquide (L) riche en cuivre (Cu) à une température autour de 495 - 505°C. L'alliage selon l'invention est particulièrement destiné à l'industrie automobile plus précisément pour la réalisation des pièces de moteurs comme les culasses, les collecteurs ou les pièces de turbocompresseurs en alliage d'aluminium exposés à des températures au dessus de 250°C où l'effet de durcissement par le traitement thermique type T6 (trempe et revenu complet) ou T7 (trempe et stabilisation) disparait rapidement durant le fonctionnement du moteur. REVENDICATIONS1. Alliage de fonderie à base d'aluminium qui contient comme composants principaux du silicium de 6.0 à 9.5 %, du cuivre de 2.0 à 4.0 %, du magnésium de 0.2 à 0.6 %, du manganèse de 0 à 0.5 °/0, du titane de 0.08 à 0.22 %, du strontium de 0.015 à 0.04%, du nickel, du zirconium, et d'autres composants comme du zinc de 0 à 0.3 %, du fer de 0 à 0.3 % et d'autres de 0 à 0.05 % (la somme des quantités des autres est au maximum de 0.15 °/0), caractérisé en ce que la quantité du nickel est de 0.6 à 0.9 % et la quantité du zirconium est de 0.08 à 0.22%. 2. Alliage de fonderie à base d'aluminium selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité des composants cuivre et nickel est 10 préprogrammée à une proportion cuivre/nickel supérieure de 33/10. 3. Procédé d'élaboration de l'alliage selon les revendications précédentes qui consiste, juste avant l'utilisation, en un malaxage, une vérification de la composition chimique du liquide par prélèvement et une désoxydation du volume liquide, caractérisée en ce que avant la désoxydation, on ajoute de petites quantités 15 de zirconium de 0.01 à 0.02 °/0, de titane de 0.01 à 0.02 % et de strontium de 0.003 à 0.007 %. 4. Procédé d'élaboration après la fusion de l'alliage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, si la proportion cuivre/nickel est inférieure de 33/10 après la vérification de la composition chimique, on corrige la quantité de 20 cuivre pour atteindre et dépasser la proportion minimum de 33/10.