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La présente invention concerne un procédé qui,
appliqué à des alliages métalliques et en particulier à des al-
liages légers à base d'aluminium leur donne un ensemble de pro-
priétés particulières permettant de les mettre en forme dans un
état constitué par un mélange de phases solides et de phase
liquide se comportant transitoirement comme un liquide à faible
viscosité. L'invention concerne également les produits résul-
tant de la mise en oeuvre du procédé et leur application aux
procédés de mise en forme à l'état liquide.
La demanderesse a découvert que, de façon tout-à-fait
inattendue, si l'on chauffe un alliage métallique pris à l'état
solide, à une température comprise entre la température de soli-
dus et de liquidus d'équilibre, et choisie de façon telle que
la proportion de phase liquide soit au moins égale ~ 35% environ
et, si on le maintient à cette température pendant une durée
comprise entre quelques minutes et plusieurs heures, ledit alliage
est succeptible de se comporter comme un véritable liquide à
faible viscosité.
Cette faible viscosité, qui a pour conséquence un écou-
lement facile, se manifeste principalement lorsqu'on appliqueune contrainte extérieure, par exemple dans le dispositif d'in-
jection d'une machine de coulée sous pression. Il y a là un
comportement assez analogue à celui des substances dites thixo-
tropes, que l'on peut mettre à profit dans la plupart des procé-
dés mise en forme à l'état liquide.
Une substance est dite thixotrope lorsque sa viscosité
n'est pas constante, mais dépend des mouvements qui lui sont
imposés. Il en est ainsi par exemple des argiles du type bento- ~-
nite ou du phénomène dit des "sables mouvants".
On a déjà tenté d'utiliser le comportement thixo-
tropique de certains alliages métalliques. Le brevet francais
'
~0472Z3
No. 2,141,979 déposé le 15 juin 1972 par le Massachusetts
Institue of Technology revendique "un procédé de préparation d'un
mélange solide-liquide pour des procédés de coulée d'une compo-
sition métallique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à
élever la température de la composition métallique jusqu'à ce
qu'elle soit à l'état liquide et à refroidir pour provoquer une
certaine solidification du liquide et à agiter énergiquement le
mélange liquide-solide jusqu'à ce que environ 65% en poids du
mélange ainsi formé soient sous forme liquide et comprennent des
dentrites ou nodules dégénérées individuels". Ce mélange liqui-
de/solide possède, ainsi qu'il est indiqué dans le brevet cite,
des propriétés de thixotropie; si l'on cesse l'agitation tout
en maintenant la température constante, le bain métallique a une
consistance voisine de celle d'un solide mais sous l'effet d'un
effort ~'agitation suffisant,il retrouve une viscosité plus
voisine de celle d'un liquide.
Si on refroidit le mélange liquide-solide depuis une
température T en,achevant de le solidifier par coulée suivant
un procédé quelconque, le produit du fait de la structure parti-
culière de la phase primaire solidifiée sous forme de globules,redevient thixotrope dès qu'il est de nouveau porté à cette tem-
pérature T. Le procédé décrit dans le brevet n'est pas d'utili-
sation industrielle très aisée, en effet, le creuset dans lequel
le produit est préparé doit tourner autour de son axe et le bain
métallique doit être agité à l'aide de deux palettes tournant en
sens inverse. Il est clair que la réalisation pratique de ces
matériels pose des problèmes ardus pour le traitement de quantités
importantes d'alliages à haut point de fusion et agressifs vis-à-
vis des matériaux courants de construction mécanique.
Des tentatives ont été faites par les auteurs du brevet
précité pour obtenir cet état thixotrope, en particulier, sur des
billettes d'alliages A 380 alliage d'aluminium à 8,5% de silicium
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et 3,5% de cuivre, par des moyens plus simples, tel qu'un
réchauffage jusqu'à une température qui devrait correspondre à
40% de phase solide (environ 1030F soit environ555C) mais
sans succès (Die Casting Engineer, vol. 17, n 4, 1973, page 51).
L'objet de l'invention, qui évite les inconvénients
de l'art antérieur, et en élargit considérablement le domaine
d'application est donc un procédé permettant d'obtenir un alliage
métallique à l'état de mélange de phases solides et de phase
liquide dans une proportion telle que ledit alliage puisse passer
transitoirement ~ l'état liquide lorsqu'on exerce sur lui une
contrainte extérieure, au moment de sa mise en forme dans un
moule, et retrouve instantanément l'état solide aussitôt que la
contrainte cesse. Ce procédé consiste à porter ledit alliage
une température comprise entre solidus et liquidus d'équilibre,
choisie de façon que la proportion pondérale de phase liquide
soit au moins égale à 40% et de préférence au moins égale à 60%,
et le maintenir à ladite température pendant une durée comprise
entre quelques minutes et quelques heures et de préférence entre
5 et 60 mn, de façon que la structure dendritique primaire ait
au moins commencé à évoluer vers une forme globulaire.
Les dimensions de ces globules dépendent de la finesse
de la structure dendritique initiale, mais sont généralement
comprises entre 100 et 400 micromètres environ.
Les limites du rapport phase liquide-phase sollde
correspondant à la mise en oeuvre de l'invention varient quelque
peu selon le type d'alliage considéré. Elles sont également
fonction des exigences de manutention des produits traités. Un
alliage à base d'aluminium, traité selon l'invention et contenant
40 à 50% de phase liquide présente l'aspect extérieur d'un solide.
Il peut être manipulé avec un minimum de précautions. Un choc
violent, une chute peuvent entraîner son affaissement. Vers 80%
de phase liquide, l'état du produit est plutôt pâteux et il se
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prête moins bien aux manipulations, mais rien ne s'oppose
cependant à ce qu'on l'introduise, sous cette forme pâteuse,
dans le conteneur d'une machine de moulage.
Si, par ailleurs, à la suite d'une erreur de tempé-
rature, on constate que le rapport phase liquide-phase solide
n'est pas celui que l'on désirait rien ne s'oppose à ce que l'on
modifie ce rapport par réchauffage ou refroidissement du produit,
et maintient, à la nouvelle température, pendant une durée suf-
fisante, conformément à l'invention.
De même, la demanderesse a constaté que si l'on refroi-
dit un alliage traité selon l'invention, à une température quel-
conque, inférieure au solidus d'équilibre, et qu'on le réchauffe
ultérieurement à une température comprise entre le solidus et le
liquidus d'équilibre, correspondant à une proportion pondérale
de phase liquide supérieure à 35%, ledit alliage retrouve instan-
tanément ses propriétés thixotropiques, ce qui prouve qu'il y a
eu une modification permanente de sa structure et apparition
d'une structure nouvelle.
Des produits en alliages métalliques, et en particu-
lier en alliages légers à base d'aluminium, préparés selon l'in-
vention, à partir de lopins cylindriques coulés en sable, en
coquille ou en coulée continue ou semi-continue peuvent servir
à alimenter une machine de coulée sous pression.
Introduits dans le conteneur de la machine, ils se
comportent, lorsque le piston commence à exercer sur eux sa
pression, comme un liquide: le mélange solide-liquide peut alors
remplir tous les détails d'un moule sans que la force exercée
par le piston soit substantiellement supérieure à celle que l'on
observerait en injectant le même alllage porté à une température
supérieure à celle du liquidus, donc entièrement à l'état liquide.
Ces produits sont également applicables à tous procédés
de mise en forme par coulée dans lesquels on fait apparaître
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transitoirement, l'état à faible viscosit~, analogue à l'état
liquide, par exemple, au moyen de vibrations mécaniques.
Cette nouvelle méthode présente, par rapport au mou-
lage sous pression classique, un certain nombre d'avantages:
- une moindre usure des moules coulés sous pression dûe au fait
que, la température du métal injecté étant plus faible, la ren-
dance au collage diminue, l'amplitude des échanges calorifiques
diminue elle aussi, donc les chocs thermiques dans le moule.
- une augmentation des cadences dûes à la diminution des calories
à évacuer, une partie du métal étant déjà solidifiée au moment
où il est injecté dans l'empreinte.
- une meilleure santé des pièces au point de vue compacité et
absence de porosités.
Les figures et exemples qui suivent permettront de
mieux comprendre la mise en oeuvre de l'invention.
La figure 1 représente au grossissement 50, un alliage
AS9U3 (base aluminium, Silicium: 9%, Cuivre: 3%) coulé en lingo-
tière de façon classique. Le réseau dendritique est nettement
visible.
La figure 2 représente le même alliage maintenu 1
heure à 580C, selon l'invention, ce qui correspond à une concen-
tration pondérale de phase liquide d'environ 70%. On voit que
le réseau de dendrites d'aluminium a pratiquement disparu et a
été remplacé par des globules de forme et de répartition régu-
lière.
La structure de la figure II peut être comparé à celle
d'un sable humide mis en forme qui, bien qu'il contienne un pour-
centage important de phase liquide, garde cependant une consis-
tance suffisante pour conserver la forme qu'on lui a donnée et
pour être manipulé avec précaution.
Les exemples ci-après sont donnés à titre purement
illustratif et n'ont aucun caractère limitatif vis-à-vis de
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l'étendue de l'invention.
Exemple 1
On a coulé en continu suivant la technique usuelle de
llAS9U3 alliage à base d'Al, de composition Si = 9,2%,
cuivre ~ 3,1%, Fer = 0,8%, sous forme d'une billette ronde de
63 mm de diamètre. Cette billette a été découpée en lopins de
100 mm de longueur écroûtés ensuite à 55 mm de diamètre.
Sur une machine à couler sous pression horizontale à
chambre froide de 400 tonnes de force de fermeture, on a monté
un moule destiné à fabriquer des petites pièces en forme de
chapeaux de 80 mm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur.
On a préchauffé un premier lopin dlA-S9U3 à une tem-
pérature de 580C. A cette température 70% environ de l'alliage
est à l'état liquide. Ce lopin est introduit immédiatement dans
le conteneur de la machine à couler sous pression et l'on procéde
à l'injection. On constate dans ces conditions que l'on obtient
une pibce partiellement alimentée et dont l'état de surface est
mauvais. En outre, la pression exercée par le piston est supé-
rieure à celle observée avec du métal ne présente donc pas de
propriétés de thixotropie. Au contraire, un autre lopin
d'A-S9U3 maintenu à la même température de 580C pendant deux
heures, introduit dans le conteneur de la machine et injecté
dans le moule à l'aide du piston se comporte tout-à-fait comme
un liquide: on observe, pendant toute la durée de l'injection,
une pression tout-à-fait comparable à celle observé avec du métal
liquide. La pièce obtenue par le procédé est alors parfaitement
venue et de bel aspect de surface.
Exemple 2
On a coulé en continu une billette ronde de 63 mm de
diamètre en A-U4SG de composition suivante: Fer = 0,2%,
cuivre = 4,3%, Silicium = 0,75%, Magnésium = 0,50%,
MancJanèse = 0,60. Cette billette a été découpée en lopins de
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100 mm de longueur qui ont été également usinés au diamètre
55 mm.
Sur une machine de coulée sous pression horizontale
à chambre froide de 400 tonnes de force de fermeture, le même
moule que celui décrit dans l'exemple précédent a été monté.
Un lopin découpé dans la billette ronde de 63 mm de
diamètre a ~té préchauffé à une température de 630C et maintenu
pendant une heure à cette température à laquelle correspond une
fraction liquide de 45% environ.
Ce lopin a ensuite été introduit immédiatement dans le
con ~
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~neur de la machine de coulée SOU5 pression et injecté a }'aide du
piston. ~e métal æe comporte pendant l'inject~on tout-~-fait comme
un liquide: la pression d~ piston est comparable ~ celle observée
pendant l'in~ection du a8me alliage liquide. ~a pièce obtenue est
parfaitement venue et a un aspect de surface e~cellent.
mple~
~ e m~me lopin que dans l'exemple 2 a été préchauffé 1 heu-
re à 630C de façon ~ faire appara~tre environ 45% de phase liquide,
pui~ refroidi jusqu'à la température ambiante, puis réchauffé ~
630C et introduit sanæ délai danæ le conteneur de la m~me machi~e
de coulée 80U~ pression et i~iecté dans le moule.
~ a pression nécessaire a ét~ la m~me que pour l'injection
du m~me alliage ~ l'état liquide~ et la pi~ce obtenue a ~té sans dé-
~aut et d'un aspect de surface egcellent.
