Brevet FR3025807A1 — publié le 20160318

Alliage de fonte, pièce et procédé de fabrication correspondants La présente invention concerne un alliage de fonte. On connaît dans l'état de la technique des outillages réalisés en fonderie pour fabriquer des pièces en matière composite fibres de carbone et résine ou en matière thermoplastique. Ces pièces en matériau composite carbone/résine sont moulées à une température allant habituellement jusqu'à 250°C. Les outillages doivent avoir un faible coefficient de dilatation thermique, ou un coefficient de dilatation thermique proche de celui du matériau ou de la matière à mouler dans la gamme de température utilisée pour le formage. Pour les températures de formage au-delà de 250°C, il existe des outillages fabriqués uniquement en mécano-soudé. Pour les températures de formage allant jusqu'à 250°C avec des outillages réalisés en fonderie, il existe un certain nombre d'alliages ayant un coefficient de dilatation thermique acceptable, ce qui n'est pas le cas pour les températures plus élevées. Notamment, certaines matières thermoplastiques (polyimides par exemple) et composites contenant ces mêmes thermoplastiques nécessitent des températures plus élevées. Augmenter la température de formage permet également dans certains cas de diminuer la durée d'un cycle de production. Actuellement, il existe des alliages réalisés en fonderie pour les outillages qui permettent de conserver un coefficient de dilatation stable jusqu'à 250°C. Il existe également des tôles permettant de conserver un coefficient de dilatation stable jusqu'à 400°C. On connaît également des outillages en acier utilisés pour fabriquer des pièces en matériau composite ou en matière thermoplastique. Ces outillages ont toutefois une épaisseur de paroi relativement importante, étant donné que l'acier est susceptible de comporter des défauts structurels (retassures) lorsque les outillages sont fabriqués avec une faible épaisseur. L'invention a pour but de permettre la fabrication par moulage d'une pièce en fonte dont la dilatation thermique est faible pour des températures élevées et notamment allant jusqu'à 400°C, et dont le coefficient de dilatation reste stable jusqu'à ces hautes températures. En particulier, l'invention a pour but de concevoir un alliage qui permet la fabrication d'un outillage ayant un coefficient de dilatation faible et stable, y compris à des températures élevées. Aussi, l'invention a pour but de concevoir un alliage qui permette la 3025807 2 fabrication d'un tel outillage ayant une épaisseur de paroi faible tout en ayant assurément peu de défauts structurels. A cet effet, l'invention a pour objet un alliage de fonte à graphite sphéroïdal ou à graphite lamellaire comprenant, en % de poids, les éléments suivants : Carbone (C) entre 5 1,2% et 3,5%, Silicium (Si) entre 1,0% ou 1,2% et 3%, Nickel (Ni) entre 26% et 31%, Cobalt (Co) entre 15% et 20%. Optionnellement l'alliage comprend : Magnésium (Mg) entre 0,02% et 0,10%, Manganèse (Mn) 1,5%, Chrome (Cr) 0,5%, et/ou Phosphore (P) 0,12 ou 0,04%, et/ou Soufre (S) 0,11 ou 0,03%, et/ou Molybdène (Mo) 0,5%, et/ou Cuivre (Cu) 0,5%, le reste étant du Fer et des impuretés inévitables. 10 Selon des modes particuliers de réalisation, l'alliage peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la teneur en Nickel (Ni) est au moins 27% ou 28% et/ou au plus 30% ; - la teneur en Cobalt (Co) est au moins 16% et/ou au plus 18% ou 19% ; - L'alliage comprend Carbone (C) au moins 1,4% ou 1,5% et au plus 3,1% ou 15 3,3%, et/ou Silicium (Si) au moins 1,4% ou 1,5% et au plus 2,6% ou 2,8% ; - la teneur en Manganèse (Mn) est au moins 0,01% et/ou au plus 1,0% ; - la teneur en Cuivre (Cu) est au plus 0,2%, 0,3%, ou 0,4% ; - la teneur en Molybdène (Mo) est au plus 0,2%, 0,3%, ou 0,4% ; - la teneur en Chrome (Cr) est au plus 0,3%, 0,4%, ou 0,5%. 20 L'invention a également pour objet une pièce fabriquée en un alliage de fonte, tel que défini ci-dessus, et notamment la pièce étant un outillage. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une pièce telle que définie ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - Coulée de la pièce dans un moule, 25 - Une fois la pièce coulée dans le moule, faire subir un refroidissement à la pièce dans son moule, ce refroidissement étant notamment inférieur à 50°C/h. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la Figure unique sur laquelle est représenté le comportement de dilatation thermique de trois alliages, au moyen de 30 l'évolution de leur coefficient de dilatation thermique en fonction de la température. L'invention a pour objet un alliage de fonte. Il permet d'obtenir des pièces dont le coefficient de dilatation thermique est faible et stable jusqu'à une température de 400°C. La pièce est par exemple un outillage, en particulier un outillage pour fabriquer des pièces en matériau composite ou en matière thermoplastique. Toutes les indications de composition sont données par la suite en % en poids du poids total d'alliage. 3025807 3 Un premier aspect de l'invention est la composition chimique de l'alliage. L'alliage est un alliage de fonte. L'alliage peut être un alliage de fonte à graphite sphéroïdal ou à graphite lamellaire. Son composant de base est le Fer (Fe). Il comporte aussi des impuretés 5 inévitables résultant de l'élaboration. L'alliage comprend, outre le Fe, du carbone (C) entre 1,2% et 3,5%, du Silicium (Si) entre 1% et 3%, du Nickel (Ni) entre 26% et 31%, et du Cobalt (Co) entre 15% et 20%. De plus l'alliage peut comprendre du Magnésium (Mg) entre 0,02% et 0,10%. 10 De plus, l'alliage peut comprendre du manganèse (Mn) jusqu'à 1,5%, ou jusqu'à C1,80/0. De plus, l'alliage peut comprendre du chrome (Cr), à une teneur comprise entre des traces et 0,5%. De plus, l'alliage peut comprendre du phosphore (P), à une teneur comprise entre 15 des traces et 0,04% ou entre des traces et 0,12%. De plus, l'alliage peut comprendre du soufre (S), à une teneur comprise entre des traces et 0,03% ou entre des traces et 0,11%. De plus, l'alliage peut comprendre du molybdène (Mo), à une teneur comprise entre des traces et 0,5%. 20 De plus, l'alliage peut comprendre du cuivre (Cu), à une teneur comprise entre des traces et 0,5%. La teneur en Nickel (Ni) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 27% ou 28% et au plus 30%. La teneur en en Cobalt (Co) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au 25 moins 16% et au plus 18% ou 19%. La teneur en Carbone (C) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 1,4% ou 1,5% et au plus 3,1% ou 3,3%. La teneur en Silicium (Si) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 1,4% ou 1,5% et au plus 2,6% ou 2,8%. 30 La teneur en Manganèse (Mn) de l'alliage peut être de préférence comprise entre au moins 0,01% et/ou au plus 1,0%. La teneur en Cuivre (Cu) de l'alliage peut être de préférence inférieure à 0,2%, 0,3%, ou 0,4%. La teneur en Molybdène (Mo) de l'alliage peut être de préférence inférieure à 35 0,2%, 0,3%, ou 0,4%. 3025807 4 On connaît un alliage à base de fer à coefficient de dilatation faible qui est le FeNi36 (appellation commerciale INVAR 0). C'est un acier développé en fin du 19è siècle. Il comporte 36% de nickel et du fer. La courbe représentant le coefficient de dilatation des alliages fer/nickel présente une anomalie aux alentours des 36% de nickel : le coefficient 5 de dilatation est alors bien plus faible que pour les autres compositions. Ceci est valable pour des températures faibles, jusqu'à 130°C. Divers alliages ont ensuite été développés à partir de cette base, notamment avec le cobalt comme élément d'addition. Par exemple, l'alliage fer/nickel/cobalt avec 32% de nickel et 5,5% de cobalt a un coefficient de dilatation plus bas que l'INVAR®, et surtout, il 10 garde cette propriété à des températures plus élevées. En fonte, il existe la même anomalie qu'en acier, cependant le coefficient de dilatation est un peu plus élevé. La Ni-Resist D5 (ASTM A439) à 35% de nickel (reste fer) a notamment un coefficient de dilatation bas : 5*10-6 K-1. Par la suite, comme en acier, d'autres alliages ont été développés, en ajoutant des 15 éléments d'additions tels que le cobalt. Ainsi le Ferrynox N33 ® (33% de nickel, 4% de cobalt) permet d'obtenir un coefficient de dilatation faible et une stabilité (4*10-6 K-1 ) jusqu'à 180°C. Le Ferrynox N36 ® (36% nickel, 4% ccbalt) a un coefficient de dilatation plus élevé (4,5*10-6 K-1), mais qui reste stable jusqu'à 250°C. Les alluresdu coefficient de dilatation thermique en fonction de la température des deux alliages FerrynoxN36 et 20 FerrynoxN33 sont illustrés sur la figure unique. Selon des exemples, l'alliage comprend outre le fer (Fe) et les impuretés inévitables, uniquement les éléments suivants, dans les limites indiquées : C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Mg Co Mini 1,2 1,2 traces traces traces traces 26 traces traces 0,02 15 Maxi 3,5 3 1,5 0,04 0,03 0,5 31 0,5 0,5 0,1 20 Exemplel 1,9 1,64 0,12 0,014 traces 0,03 29,44 traces 0,017 0,06 16,96 Exemple 2 1,9 1,63 0,12 0,014 0,006 0,03 29,06 0,002 0,02 0,04 17,49 Cet alliage est une fonte à graphite sphéroïdal. Le coefficient de dilatation thermique de l'Exemple1, indiqué sous le nom Ferrynox 25 N29K sur la Figure, comparé à des coefficients de dilatation thermique des deux alliages de l'état de la technique (Ferrynox N33 et Ferrynox N36) est indiqué sur la Figure unique. Le coefficient de dilatation thermique de l'Exemplel est inférieur à 6,4*10-6 K1 pour une température inférieure à 400°C. Egalement, le coefficient de dilatation thermique est relativement stable sur une grande plage de températures. Il est compris entre 6*10-6 K-1 30 et 7*10-6 K-1 sur toute la plage allant de 150°C à 400°C. Les caractéristiques mécaniques de l'échantillon sont les suivantes : 3025807 5 Limite Limite de Allongement après élastique rupture rupture Re (MPa) Rm (MPa) A% à 20°C 298 483 28,4 à 200°C 214 380 29,8 à 300°C 146 350 30 à 400°C 166 341 30,5 à 450°C 156 336 30,9 Un autre aspect de l'alliage selon l'invention est qu'il est soudable. Selon un autre mode de réalisation l'alliage comprend, outre le fer (Fe) et les impuretés inévitables, uniquement les éléments suivants, dans les limites indiquées : C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Co Mini 1,2 1 traces traces traces traces 26 traces traces 15 Maxi 3,5 3 1,5 0,12 0,11 0,5 31 0,5 0,5 20 Exemple 1,9 1,7 0,45 0,04 0,07 0,03 28,96 0,002 0,02 17,54 5 Dans ce cas, I alliage est une fonte à graphite lamellaire. Un second aspect de l'invention est une pièce fabriquée en un alliage tel que défini ci-dessus. La pièce est notamment un outillage. L'outillage peut comprendre seulement des portions en l'alliage selon l'invention ou être entièrement constitué de cet alliage. Généralement au moins la surface de forme de l'outillage est constituée de l'alliage selon 10 l'invention. De préférence, l'outillage a une épaisseur de paroi minimale qui est inférieure à 50 MM. Un troisième aspect de l'invention est le procédé de fabrication d'une pièce en un alliage selon l'invention. 15 Tout d'abord la pièce, par exemple un outillage, est coulée dans un moule. Une fois la pièce coulée dans le moule, elle subit un refroidissement, notamment lent, dans son moule. Le terme « lent » signifie inférieur à 50°C/h, notamment sur toute la durée de refroidissement entre la coulée de la pièce et la solidification. Après l'étape de refroidissement, la pièce peut être traitée thermiquement, par 20 exemple par recuit. L'alliage est notamment utilisé pour la fabrication d'outillages utilisés ensuite pour la fabrication de pièces composites, par exemple en matière thermoplastique et fibres de carbone. Le domaine technique peut être l'aéronautique. 3025807 6 Selon d'autres aspects de l'invention, l'alliage peut comprendre l'une ou plusieurs des teneurs suivantes : - Silicium (Si) entre 1,2% et 3%, et/ou - Phosphore (P) 0,04%, et/ou 5 - Soufre (S) 0,03%. REVENDICATIONS1.- Alliage de fonte à graphite sphéroïdal ou à graphite lamellaire comprenant, en (3/0 de poids, les éléments suivants : - Carbone (C) entre 1,2% et 3,5%, - Silicium (Si) entre 1,0% ou 1,2% et 3%, - Nickel (Ni) entre 26% et 31%, - Cobalt (Co) entre 15% et 20%, optionnellement : - Magnésium (Mg) entre 0,02% et 0,10%, - Manganèse (Mn) 1,5%, - Chrome (Cr) 0,5%, et/ou - Phosphore (P) 0,12 ou 0,04%, et/ou - Soufre (S) 0,11 ou 0,03%, et/ou - Molybdène (Mo) 0,5%, et/ou - Cuivre (Cu) 0,5%, le reste étant du Fer et des impuretés inévitables. 2.- Alliage selon la revendication 1, dans lequel la teneur en Nickel (Ni) est au moins 27% ou 28% et/ou au plus 30%. 3.- Alliage selon les revendications 1 ou 2, dans lequel la teneur en Cobalt (Co) est au moins 16% et/ou au plus 18% ou 19%. 4.- Alliage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant : - Carbone (C) au moins 1,4% ou 1,5% et au plus 3,1% ou 3,3%, et/ou - Silicium (Si) au moins 1,4% ou 1,5% et au plus 2,6% ou 2,8%. 5.- Alliage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en: Manganèse (Mn) est au moins 0,01% et/ou au plus 1,0%. 6. - Alliage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en: Cuivre (Cu) est au plus 0,2%, 0,3%, ou 0,4%. 7. - Alliage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en: Molybdène (Mo) est au plus 0,2%, 0,3%, ou 0,4%. 8.- Alliage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en: Chrome (Cr) est au plus 0,3%, 0,4%, ou 0,5%. 3025807 8 9.- Pièce fabriquée en un alliage de fonte, caractérisé en ce que l'alliage est un alliage selon l'une quelconque des revendications précédentes, et notamment la pièce étant un outillage. 10.- Procédé de fabrication d'une pièce selon la revendication 9 caractérisé en ce 5 qu'il comporte les étapes suivantes : - Coulée de la pièce dans un moule, - Une fois la pièce coulée dans le moule, faire subir un refroidissement à la pièce dans son moule, ce refroidissement étant notamment inférieur à 50°C/h.