Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
1~8~8~6
L'invention concerne un procédé amélioré de filage
d'alliages d'aluminium ~ durcissement structural destiné ~ leur
conférer des caractéristiques mécaniques améliorées.
Le brevet fran~ais ,No 75-06953 publié sous le
No 2 . 266.748 correspondant à la demande Canadienne No. 223.752
déposéele 3 Avril 1975, décrit et revendique un procédé ci-apr~s
not~,procé~e A~ de traitement thermique des alliages d'alumine
et son application au filage d'alliages d'aluminium à l'état de
mélange liquide solide en vue de la fabrication de profilés.
Ce procédé A consiste à porter une masse d'alliage
d'aluminium solide à une température comprise entre la tempé-
rature du solidus d'équilibre et la température du liquidus
d'équilibre de façon à ce que la proportion pondérale d'alliage
liquide reste inférieure à 40%, et à l'y maintenir pendant 5 à
60 minutes de façon que la phase dendritique solide ait commencé
à évoluer vers une forme globulaire.
Une telle masse d'alliage ainsi traitée se pr~te parti-
culièrement bien au filage, sur presse à filer, de pièces telles
que barres, tubes et profilés ~ partir d'un troncon de billette
appelé lopin.
Le dit brevet présente dans son exemple 2 la comparai-
son des conditions de filage et des résultats obtenus dans le
cas du filage d'une billette de 100 mm de diamètre d'un alliage
A-U4SG de composition classique.
Un lopin de cette billette a été traité conformément
au procéd~ A pendant 15 mn à 572C. de façon à faire appara~tre
environ 4 % de phase liquide~ On l'a filé en une barre ronde
de 20 mm de diamètre, donc avec un rapport de filage de 25, à
la vitesse de 3 mètres/minute. La pression moyenne sur le corps
de presse était de 150 bars.
Le même essai, fait selon le procédé classique de
filage à chaud sur une billette non traitée selon l'invention
,~ , . .
: ~ . :. .. .
a exigé une pression de 220 bars soit de 50 % ~up~rieure~
Leq caractéristiques obtenueq sur les barres filées
sont les suivantes :
_ I ~ _ _,,
Filaqe classique LE, hbar R, hbar A %
- Brut de filage 18,8 34,8 15,1
- Revenu 8 h à 175 C~18,6 31,4 14,9
- Etat T6 (Tremp~ revenu) 51,3 55,6 12,2 .
. ~ . , .
Filaqe selon l'invention LE, hbar R, hbar A % ~ .
- Brut de filage 572 C 22,1 37,3 14,3
- Revenu 8 h à 175C23,8 34,2 12,9 :
- Etat T6 (Trempé reveno) 49,8 53,8 10,8
,~
On observe :
1/ une diminution de la pres~ion de filage qui permet d'augmenter
la productivité des presses à filer existantes
2/ une amélioration de~ limites élastiques et des allongements
pour 18s états
- Brut de filage
- Revenu 8 H. à 175 C. :
La demanderesse a découvert que, dans le cas d'alliages
d'aluminium ~ durcissement structural, il était po~sible d'augmen-
ter le niveau des caractéristiques mécaniques des profilés au
moyen de perfectionnements apportés au traitement décrit dans le
brevet sus-mentionné. Plus précisément, l'invention consiste en
un procédé de filage d'alliage~ d'aluminium à durcissement
structural, caractérisé en ce que l'on porte une billette ~
-filer ~ une température intermédiaire entre le solidus et le
liquidus de l'alliage de fac~on à amener à l'état liquide une
proportion pondérale bien définie dudit alliage inférieure à
40 % et, de préférence, à 35 %, en ce que l'on maintient la
- 2 - ;.
. -- . . . - ~ .
- . .
. .
. ,
. . . ~ , .
.~
1~8~
billette à cette temp~rature pendant une durée comprise entre
quelques minutes et quelqu~s heures, en ce que l'on introduit
la billette dans le conteneur d'une presse ~ filer, que l'on
file cette billette sous forme de profilé, enfin que l'on trempe
ce profilé b la sortie de la filière et qu'on le durcit par
traitement de revenu ou de maturation.
Selon une réalisation particulière de l'invention,
avant d'introduire la billette dans le conteneur de la presse
à filer, on la laisse refroidir a une température quelconque
inférieure au solidus d'équilibre, puis on la réchauffe ensuite
à une température intermédiaire entre le solidus et le liquidus
d'équilibre, correspondant à une fraction pondérale de phase
liquide inférieure ~ 40 %, et, de préférence, inférieure à 35 %.
La trempe sur presse qui consiste à refroidir énergi-
quement les profilés à la sortie de la presse soit par de l'air
plllsé, soit par une aspersion d'eau, de mélanges air-eau, de
brouillard, n'est pas classiquement pratiquée sur des alliages
durs a durcissement structural, car elle est, le plus souvent,
inopérante. En effet, s'agissant d'alliages à durcissement
structural, la trempe sur presse, pour apporter une amélioration
des caractéristiques, doit maintenir en solution solide le
maximum d'éléments susceptibles de précipiter au revenu. Or,
les conditions de filage classique, à une température de 420C
par exemple, ne remettent pas suffisamment d'éléments en solution
pour que la trempe sur presse produise une amélioration notable.
Aussi, le praticien du filage des alliages durs tels que le 2024
(A-U4G), le 2014 (A-U4SG), le 7075 (A Z5GU) sait très bien qu'il
est inutile de faire une trempe de ces alliages à la sortie de
la presse et qu'il faut, pour obtenir les caractéristiques
maximales, faire une mise en solution des profilés, puis une
trempe à l'eau suivie d'un revenu ou d'une maturation.
En outre, le traitement conforme ~ l'invention du brevet
, .. . . .
1C~8~ 6
français 75-06953 a un autre résultat qui est la diminution de
la vitesse critique de trempe de l'alliage et rend ainsi efficaces
des trempes relativement douces à llair pulsé, par exemple. Ces
moyens de trempe plus doux présentent un autre avantage non négli-
geable qui est l'absence de déformation des profilés.
Il faut observer qu'il ne sexait nullement suffisant
de faire ce simple réchauffage à 572 C par exemple, dans le cas
de l'A-U4SG pour atteindre, par trempe sur presse suivi d'un ~ .
revenu, un résultat analogue.
On obtiendrait, dans ce cas, un profilé sans aucune
cohésion, caractéristique d'un métal brûlé. Il est indispensable
d'appliquer l'enseignement du dit brevet : maintien pour donner
au produit sa structure globulaire particulière et utilisation
d'une fili~re refroidie.
Un deuxième perfectionnement résulte d'une étude poussée
des mécanismes métallurgiques intervenant pendant le traitement
objet de l'invention. Il faut, pour cela se reporter à la planche
qui représente, pour des raisons de simplification, un diagramme
binaire, mais le m~me raisonnement est applicable ~ des alliages
plus complexes.
Seule, la partie aluminium est représentée. On suppose
que le composé intermétallique provoquant le durcissement
structural forme avec l'aluminium un eutectique E. Soit un
alliage de composition A que l'on chauffe progressivement à
partir de l'état solide. A la température Tl du point S', il
commence à fondre. Si, conformément à l'invention du brevet prin-
cipal, on porte alors l'alliage à la température T ~ Tl et qu'on
l'y maintient, l'alliage évolue au cours du temps vers une situa-
tion telle que la phase liquide atteigne la composition homogène
L et la phase solide (les globules) la composition homogène S.
L'examen du diagramme montre alors que la composition de la
phase solide globulaire est moins chargée en éléments d'addition
-- 4 --
,~ . . .
lO~Z~76
que la composition moyenne de l'alliage.
La demanderesse a alors d~couvert que, si 1'on augmente
la teneur de l'alliage en ~l~ment durcissant en lui donnant la
compositlon correspondant au point A', de fac,on à ce que la phase
solide globulaire s'approche de la composition S' de l'alliage A,
que l'on pratique ensuite le traitement de maintien à Tl supérieur
au solidus de l'alliage A' et que, finalement, l'on trempe sur
presse, on obtient, par simple revenu ou maturation, des caracté-
ristiqueC voisineC~ voire supérieures, à celles de l'alliage A,
filé de façon classique, puis traité suivant le traitement
complet classique de mise~en solution trempe et revenu ou matura-
tion.
Naturellement, la composition A', c'est-~-dire la posi-
tion précise de M' sur la droite horizontale de température Tl,
est définie par le taux de phase liquide que 1'on souhaite et
qui dépend, par exemple, de la puissance de la presse et du
rapport de filage.
Le rapport pondéral phase liquide est égal, en effet,
phase solide
à M'S' .
M'L'
On a donc remplacé le traitement classique sur les
profil~s comportant :
a) une mise en solution ~ température relativement
élevée (495C par exemple)
b) une trempe de ces profilés,
c~ un revenu ou maturation
par un traitement beaucoup plus simple :
a) une trempe des profil~s à la sortie de la présqe
facile à mettre en oeuvre,
b) un revenu ou maturation
tout en obtenant le m8me niveau de caractéristiques, et sans
avoir les inconvénients du premier traitement.
Ces inconvénients sont de deux ordres :
l~)l3ZX~6
a) fours de mise en solution encombrants puisqu'il
s'agit de profil~s longs
b) déformation importante à la trempe, nécess~tant un
dressage ult~rieur des profilés. La trempe sur
presse, au contraire, pouvant selon l'invention
atre plus douce, n'entra~ne pas de d~formation des
profilés.
Il faut observer, dans ce cas, que la seule combinaison
d'une te~eur en élément durcissant accrue et d'une trempe sur pres-
se ne donnerait mullement le même résultat puisque la trempe à1'eau est inopérante, comme il a été dit plus haut, sur les
alliages non traités selon l'invention du brevet fran~ais
N 75-06953.
Bien entendu, il n'est pas obligatoire, comme cela a
été indiqué dans ce brevet, de procéder au filage immédiatement
apres le maintien à la température comprise entre solidus et
liquidus. ~n peut très bien laisser refroidir la ~illette apr~s
ce traitement à une température inférieure au solidus voire à
l'ambiante. Il suffit, alors, avant le filage, d'un simple
réchauffage et non d'un maintien a une température intermédiaire
entre solidus et liquidus.
Les exemples qui suivent ont pour but de faire mieux
comprendre l'invention sans en xestreindre la portée.
EXEMPLE I
Une billette d'A-U4SG de 100 n~ de diametre, de composi-
tion :
- Fe = 0,42 %
- Si = 0,91 %
- Cu = 4,24 %
- Mn = 0,82 %
- Mg = 0,51 %
- le reste = aluminium
,.,, . ,.... ".. , . - , ~ . .
'''~ .' ' ~ ' ' ' '
~(~8'~376
a ét~ portée à 605c et maintenue pendant 15 mn ~ cette tempéra-
ture.
A l'équilibre, la teneur en phase liquide ~ cette tempé-
rature e~t de 13 % environ.
Un lopin de cette billetta a été introduit dans le
conteneur préchauffé ~ 420 -450 C d'une presse à filer de 800 T.
et filé immédiatement sous forme d'un profilé à section rectan-
gulaire de 40 mm x 3 mm. Le refroidissement par eau de la filière
était ajusté de façon que le profilé sorte à une température de
450C environ. D~s sa sortie de la presse, le profilé était
trempé ~l'air froid, à l'aide d'une batterie de ventilateurs
dirigeant leur flux vers le profilé. Les caractéristiques
mécaniques ont ensuite été mesurées sur des échantillons ou
bruts de filage, ou revenus, 8 H à 175C ou homogénéisés 2 H
505 C trempés à l'eau et revenus 8 H à 175 C (état T6).
Le tableau ci-de~sous indique les résultats obtenus
en comparaison avec la billette nontrempée à l'air, mais ayant
subiele traitement du proc~dé A:
I T
BILLETTE NON TREMPEEI BILLETTE TREMPEE
ETATLE(hbar~¦R(hbar)l A% ~LE(hbar)¦R(hbar)! A% ;
, ~
Brut de filage24,8 34,9 l23,5 l 21,6 ¦ 38,7 ¦ 24,8
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _ ~,:
Reveou 8 H- ~
175 33,3 37,7 12,9 37 42,~ 12,4
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. _ _ _ _ . _ _ _ _ _ _ _
2 H ~ 505
~ 4~,0
R = charge de rupture (en hbar)
LE = limite élastique (en hbar)
A = allongement ~ la rupture (en %)
108ZI~;
On notera l'am~lioration notable des caractéristiques
sur la billette trempée après un simple revenu ~ 175C.
_XEMPLE II
A partir de la composition moyenne d'un autre alliage,
l'A-U4G, dont les teneurs moyennes en cuivre et en magné3ium
sont respectivement de 4,25 % et de 0,65 % on a détenminé la
composition moyenne que devrait avoir un alliage qui, porté à
une température telle qu'il contienne environ 3 % de phase
liquide, aurait une composition moyenne de la phase solide égale
à celle de l'A-U4SG : 4,25 % de cuivre et 0,65 % de magnésium.
Pour faire cette détermination, on peut utiliser les
diagrammes d'équilibre, mais les diagrammes ternaires étant moins
bien connus que les binaires, il convient de compléter les
informations fournies par ces diagrammes, par des expériences
de fusion partielle à teneurs échelonnées et d'analyse de la
phase solide à la microsonde.
On a trouvé qu'un A-U4G, à teneur en cuivre - 5,10 %
et en Mg = 0,80 %, aurait à 555C, 3 % environ de phase liquide,
la phase ~olide ayant la composition approximative de l'alliage
A-U4G nonmal.
Une billette de diamètre 100mm, de teneur visée corres-
pondante, a été coulée, contenant, par ailleurs, les éléments
d'addition secondaires de l'alliage.
La composition finale obtenue a été :
- Fe = 0,42 %
- Si = 0,38 %
- Cu - 5,20 %
- Mg = 0,90 %
- Mn - 0,60 %
- Ti = 0,025 %
- Zr - 0,14 %
On note que les teneurs obtenues ont été légèrement
-- 8 --
~L08~37t6
supérieures aux teneurs visées.
Cette billette a ét~, ensuite, tronçonnée en quatre
lopin~ de 300 mm de long, qui ont subi chacun un traitement
différent.
Le lopin N 1 a été, sous forme de corni~re de 25 mm x
25 mm x 3 ~m, filé normalement ~ 420oc, donc selon l'art antéri-
eur. Le profilé a ét~ refroidl ~ l'air calme à la sortie de
la presse, avec traitement de maturation consécutif.
Le lopin N 2 a ét~ filé, selon le procèdè A, à une
température de 555 C, après avoir été maintenu 30 minutes à
cette température. Le profilé a été refroidi à l'air calme à
la sortie de la presse et a subi une maturation.
Le lopin ~ 3 a ét~ traité, selon la présente inven-
tion, c'est-~-dire qu'il a été maintenu 30 minutes ~ 555C, puis
filé à cette température. Le profilé obtenu a été trempé à l'air
pulsé avec une vitesse de trempe de l'ordre de 600C à 8~0C/
minute, et a subi, enfin, une maturation de 16 jours.
Le lopin N 4 a été trait~ et filé dans les mêmes
conditions que le ~ 3, à l'exception de la trempe qui a été faite
aux jets d'eau, suivie également d'une maturation de 16 jours.
Les caractéristiques mécaniques ont ensuite été mesurées
sur les profilés obtenus. Ces caractéristiques figurent dans
le tableau suivant, de même que les caractéristiques moyennes
relevées sur des profilés d'A-U4G de composition normale ayant
subi le traitement habituel de mise en solution - trempe - matura-
tion.
:
:, . .. : . : . .. .. .
~08~8'~6
~ ~ ~ I~
~ ~e ~ d :) ~ u)
U) r-l~1 -1 ~I ~1
~tn _
H ~ ~ a~_ CO I~
V~ Htl:; ~ ~ O u~ ~ ~
H ~ .~ ~)d' d' d' d'
E~ ~'
C~
~ ~ ~ ~ ~ 0
U ~ ~ 0 ~ ~1 1 O t~l
_ _ : = _
H
'
~ O O O O C
i~ i~ n n n r~ O
~ ~~S) ~ D ~ -
E~ ~,~ _~ ,~
~U) ~ ~ ~ ~ 0
O O O O ~ O
~ ~ ,~,~ ,~ ,t aJ-
E~ P- ~ ~ ~ ~ ~
H l¢ ,a O ~
~:1; kl ~::~ ~ :~ O ~ ::1
E~ P ~ ~ ~ ~ u~ ~) ~
~ ~, ~ ~ ~ . ~
_ _
a~
~ ~ ~ ~ ~ ,.
1 a) h ~3 1~ 0 0
~ ~ ~ ~ ~ U~ O 0 00
1~ .,~ O ~ C~ ,~ O O ~d'
OD ~r
H H '~ ' ~U
~1: P ~ _
~ ~-~0 ¢ ~ : .,
H h ~q O O ~ ~ C)
~a~ o o x o ~;
~ U) ~ O
~ ~ a) d' ~ d' ~ H
E~ ,ta
_ _
_ _
c~ a)
V~ _ ,
~ h
H ~ 1
H 11~ O O O O O
~0 O d~ t` O O
74 `~1) O t~l Irl In ~L) ~I
O ~ d' Il) U') ' Is) d'
E~
- -- - - ,.
o 3 ,, _ ~ ~
-- 10 --
..
. .
, .
:108~76
L'examen de ce tableau démontre clairement l'intér~t
de la combinaison : modification de la composition - traitement
de réchauffage au-dessus du solidus - trempe sur presse (à
l'air ou ~ l'eau~ , elle permet d'obtenir des caractéristiques
aussi bonnes, sinon meilleures, que celles que l'on obtient sur
un A-U4G de composition normale, filé normalement puls mis en
solution, trempé et mûri. On économise donc le traitement de
mise en solution.
.
~:
