Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention concerne des alliages de magnésium à
haute résistance mécanique et leur procédé de fabrication.
Ces alliages ont une charge à la rupture au moins égale à 290 MPa, mais
plus particulièrement d'au moins 400 MPa et un allongement à la rupture
généralement d'au moins 5% et ont, en combinaison, les caractéristique~
suivantes:
- une composition pondérale située dans les limites suivantes:
Aluminium 2-11 %, de préférence 3 à 9%
Zinc 0-12 %, de préférence 0 à 3%
Manganèse 0-1 %, de préférence 0,1 à 0,2%
Calcium 0,5-7%, de préférence 1 à 7%
Terres Rares (TR) 0,1-4%, de préférence 0,5 à 2,5%
avec les teneurs suivantes en impuretés prlncipales:
Silicium ~ 0,6 %
Cuivre < 0,2 %
Fer ~ 0,1 %
Nickel ~ 0,01 %
le reste étant du magnésium.
- une dimension moyenne de grains inférieurs à 3 ~m
~ ils sont constitués d'une matrice homogène renforcée par des
particules de compoæés intermétalliques Mg17A112, ces
particules étant d'une taille moyenne inférieure à l~m,
précipitées aux joints de grains, cette structure demeurant
inchangée après maintien de 24 heures à 300.
De préférence la taille moyenne des particules est inférieure
à 0,5~m.
.` ~
- 2023837
la
L'alliage peut inclure en outre des particules de
composés intermétalligues A12Ca selon la concentra-
tion en Ca, ou Mg32(Al,Zn)49, Si Zn est présent dans
l'alliage, ou Mg-TR selon la teneur et/ou la nature
S de la terre-rare, ou Al-TR selon la teneur et/ou la
nature de la terre-rare, ou Mg-TR et Al-TR selon la
tencur e ~ / ou 1/1 A~l tul e cLe 1
.,~
.~ 2023837
Quand Mn est présent, c'est un élément au moins quaternaire et sa teneur
pondérale ;ni est de préférence de 0,1 %.
De tels alliages ont également une tenue à la corrosion améliorée; en
effet contrairement aux alliages décrits dans la demande can~ nn~
n 592, 097 déposee le 2 4 février 1989, gui
présentent des corrosions localisées (par exemple piqûres, corrosion selon
les stries d'usinage...) pouvant provoquer à la longue des zones de
faiblesse, ils présentent une corrosion au moins aussi faible mais aussi
plus homogène. Les alliages selon l'invention contiennent donc, dans les
proportions requises, à la fois du calcium et des terres rares, notamment
Y (compris ici comme une TR), Nd, Ce, La, Pr ou misch métal (MM). Ces
additions permettent d'améliorer les caractéristiques mécaniques des
alliages à base de magnésium obtenus après trempe rapide et consolidation
par filage, y compris pour des températures de filage pouvant, tout en
conservant un niveau de caractéristiques intéressant, atteindre voire
dépasser 350C. Une telle propriété permet en particulier d'augmenter les
rapports et les vitesses de filage, l'alliage supportant l'échauffement en
résultant sans perdre ses caractéristiques, et ainsi permet d'améliorer
les productivités.
Dans l'alliage final, le calcium peut se trouver sous la forme de
dispersoïdes d'Al2Ca précipités aux joints de grains et/ou en solution
solide. Les particules du composé intermétallique Al2Ca apparaissent quand
la concentration en Ca est suffisante; elles sont d'une taille inférieure
à 1 ~m et de préférence inférieure à 0,5 ~m. La présence de Mn n'est pas
nécessaire. Il en est de même pour les TR, les dispersoides apparaissant à
partir de certaines concentrations propres à chacune des TR.
D'autres particules intermétalliques, par exemple à base d'Al et Mn, de
très petite taille (de l'ordre de 40 à 50 nanomètres) peuvent également
être dispersées dans les grains de magnésium.
Les alliages sont, selon l'invention obtenus par les procédés et les
différents modes de mise en oeuvre décrits dans la demande principale qui
font partie intégrante de la description. On note, en résumé, que
~ .
, ,~ .
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l'alliage à l'état liquide, est soumis a une solidification rapide, à une
vitesse au moins égale à 10 K sec , généralement inférieure a 10 K
sec , de façon a obtenir un produit solidifié, dont au moins une des
dimensions est inférieure à 150 ~m, ledit produit étant ensuite consolidé
directement par précompactage et compactage ou par compactage direct, le
compactage ayant lieu à une température comprise entre 200 et 350C. Il
est préférable que le produit solidifié ne subisse aucune autre opération
de conditionnement telle que le broyage avant d'être consolidé par
précompactage et/ou compactage, cette opération pouvant être de nature à
10 altérer les caractéristiques mécaniques de l'alliage consolidé obtenu.
Le refroidissement rapide pour solidification peut être obtenu:
- soit par coulée sous forme de ruban sur un appareil dit "d'hypertrempe
15 sur rouleau", constitué habituellement d'un tambour refroidi énergiquement
sur lequel on coule le métal.
- soit par fusion d'une électrode ou par jet de métal liquide; le métal
liquide est alors mécaniquement divisé ou atomisé et projeté sur une
20 surface énergiquement refroidie et maintenue dégagée,
- soit par atomisation de l'alliage liquide dans un jet de gaz inerte.
Les deux premiers modes d'application permettent d'obtenir un solide sous
25 forme de rubans, écailles ou plaquettes, tandis que le dernier donne de la
poudre. Ces procédés sont décrits en détail dans la demande principale et
ne font pas partie de l'invention en tant que tels.
Le produit solidifié rapidement peut être dégazé sous vide à une
température inférieure ou égale à 350C avant consolidation.
La consolidation, également décrite dans la demande principale, est
effectuée, selon l'invention, directement sur les produits solidifiés, en
particulier directement sur les écailles ou plaquettes. Pour préserver la
structure fine et originale obtenue par solidification rapide, il faut
35 absolument éviter les longues expositions à des températures élevées. On a
choisi d'opérer un filage à tiède qui permet de minimiser la durée de
passage à température élevée.
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La température de filage est comprise entre 200 et 350C; le rapport de
filage est généraIement compris entre 10 et 40, de préférence entre 10 et
20, et simultanément la vitesse d'avance du pilon est de préférence située
entre 0,5 et 3 mm/sec, mais elle peut être supérieure.
Comme décrit dans la ~m~n~e c~nA~i~nne 592,097 ci-haut mentionnée le produit
sclide avant cons~ t;~n peut être introduit di~ t dans le conteneur de la
presse, ou après un précompactage à une température d'au plus 350C avec
introduction dans une gaine de Mg ou ses alliages, ou d'Al ou ses
alliages, elle-même introduite dans ledit conteneur.
En variante, on peut mettre en oeuvre d'autres procédés de compactage ne
produisant pas une élévation de température du produit au-delà de 350C:
parmi ces procédés optionnels, on peut citer le filage hydrostatique, le
forgeage, le laminage et le formage superplastique.
Ainsi le procédé selon l'invention permet d'obtenir de façon inattendue un
alliage de magnésium consolidé qui a, comme déjà décrit, une structure
fine (grains inférieurs à 3 ~m) renforcée par des composés
intermétalliques, et des caractéristiques mécaniques élevées restant
inchangées, de même que la structure dudit alliage, après- maintien
prolongé à une température atteignant, voire dépassant, 350C.
La résistance à la corrosion est par ailleurs améliorée en uniformité et
en perte de poids (qui est diminuée).
EXEMPLE
Plusieurs alliages ont été réalisés dans des conditions de solidification
rapide, identiques à ceiles utilisées dans les exemples de la demande
principale: coulee sur roue, vitesse périphérique de la roue 10 à 40 m/s,
vitesse de refroidissement comprise entre 105 et 106K s 1. Les rubans
obtenus ont été ensuite directement introduits dans le conteneur d'une
presse à filer pour obtenir un alliage consolidé sur lequel ont été faits
les essais de caractérisation: examen microscopique, mesure des
caractéristiques mécaniques, tenue à la corrosion (mesurée par trempage
dans une solution à 5% de Na Cl pendant 3 jours).
A
.
-16
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-
Dans le tableau 1, on donne les conditions opératoires du filage, et les
caractéristiques des alliages obtenus:
H~ = dureté Vickers exprimée en kg/mm2
TYS = limite élastique mesurée à 0,2% d'allongement, exprimé en MPa
UTS = charge de rupture exprimé en MPa
e = allongement à la rupture exprimé en %
corrosion = perte de poids exprimée en mg/cm /jour (m.c.d.)
aspect de la corrosion
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Selon l'invention Selon l'art antérieur
- N et essai 20 21 22 4 23 7 9 11 12
Composition AZ91 AZ91 AZ91+
alliage Ca 2%
% poids (1)
Al 5 7 5 9 9 9 5 5 9
Zn 0 1,5 0 1 1 0 0 0 0,6
Mn 0 0 0 0,2 0 0 0 0,5 0,2
Ca 6,5 4,5 6,5 0 0 1 3,7 3,5 2
TR 2(Nd) l(Nd)2(MM)(2) 0 0 0 0 0 0
T filage 300 300 300 200 300200 250 300 250
C
Rapport 20 20 20 20 20 20 20 2C 20
filage
Vitesse
pilon 0,5 0,5 0,5 b,5 0,50,5 0,5 0,5 0,5
mm/sec
Hv kg/mm2 132 134 138 129 105139 124 100 125
TYS (0,2) 564 535 565 457 330500 538 483 427
MPa
UTS MPa 593 574 598 517 380555 567 492 452
e % 2 4,7 1,6 11,1 20 6,9 5,2 8,0 5,4
Corrosion:
mg/cm2/jour 0,56 0,25 0,2 0,4 0,4 0,35 0,5 0,65 0,075
Type de cor Uni- uni- urli- fili fili piqu uni- uni- uniforme
rosion forme forme forme form form res form form
pro-
fon-
des
1) le solde étant du Mg
2) MM: Misch Metal
j`` ` 2023837
~,
Dans ce tableau figurent les essais 20-21-22 qui illustrent la présenteinvention, tandis que les essais 4-23-7-9-11-12 illustrent l'art antérieur
et sont tirés en partie de la d:- -nde canadienne 59Z,097 ci-haut men-
tionnée.
Les essais 4 et 23 concernent des alliages traités par solidification
rapide et consolidation de composition identique à celle de l'AZ91 ; les
essais 7-9-11-12 concernent des alliages contenant du Ca obtenus également
par solidification rapide et consolidation. On remarque que tous ces
10 alliages présentent des résultats de corrosion et/ou des caractéristiques
mécaniques inférieurs à ceux des alliages selon l'invention. Les
échantillons 23, 4 et 7 subissent une corrosion hétérogène avec des pertes
de poids relativement élevées; les échantillons 4 et 7 présentent en outre
des caractéristiques mécaniques très inférieures à celles des alliages
15 selon l'invention. L'échantillon 11 présente une corrosion uniforme mais
une perte de poids élevée, comparable à celle de l'alliage 20, et des
caractéristiques mécaniques très inférieures à celles de ce dernier et
également à celles des alliages 21 ou 22. Enfin, l'échantillon 12 possède
une excellente résistance à la corrosion, par contre ses caractéristiques
20 mécaniques sont largement inférieures à celles des alliages selon
l'invention.
On voit, selon l'invention, que l'addition de terres rares permet un
niveau plus élevé de caractéristiques mécaniques, améliore l'uniformité de
25 la corrosion (essai 20-21-22) et diminue la perte de poids (essais 21-22).
Il est à noter que les caractérisques mécaniques sont obtenues après
filage de consolidation à 300C, et que l'écart avec l'art antérieur
augmenterait si dans les essais dudit art antérieur le filage avait été
fait à une température aussi élevée.
: .
Ainsi l'invention permet d'obtenir des alliages ayant une résistance à la
corrosion améliorée (corrosion uniforme, perte de poids généralement
diminuée) tout en ayant des caractéristiques mécaniques augmentées pour
une température de filage élevée. Ce dernier avantage est important
35 puisque de telles températures permettent de filer des profilés de grandes
~ .
11
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-
dimensions et/ou d'augmenter les vitesses de filage tout en conservant de
bonnes caractéristiques mécaniques.
Il est à noter également que cette température éle~ée de filage permet
d'améliorer la tenue à la fatigue des alliages de l'invention.
