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PROCEDE D'OBTENTION PAR MOULAGE
DE PIECES BIMATERIAUX
La présente invention est relative à un procédé d'obtention
par moulage de pièces bimateriaux .
Elle concerne plus particulièrement les pièces formées d'une
âme en alliage d'aluminium inserée dans une matrice en un
autre alliage d'aluminium.
Cette structure particulière est utilisée, par exemple, pour
la confection de pièces automobiles telles gue les culasses
de moteurs dans le but de modifier localement leurs
propriétés et l'insertion de conduits dans les pièces
aéronautiques faites par moulage.
En effet, il est connu que de telles pièces sont soumises
localement lors de leur utili.sation à des contraintes
particulières , notamment thermiques, et que pour éviter
cer-taines repercussions fâcheuses sur leur comportement, on
recourt généralement à l'implantation dans les dites pièces
d'inserts ayant des propriétés qui répondent mieux à ces
contraintes que le matériau de base.
Toutefois, on a cons-taté que la réalisation de ces pièces
bimatériaux posait des problèmes, notamment en ce qui
concerne la liaison entre l'insert et la matrice.
En effet, d'une part, l'adhérence entre les constituants des
pièces n'est pas toujours convenable et il en résulte alors
des propriétés mécaniques ou physiques ( comme la
conductivité thermique, par exemple ) insuffisantes
d'autre part, le moulage s'effectuan-t avec un métal à l'état
fondu par remplissage d'un moule dans lequel a é-té place
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l'insert, s~ le métal formant l'insert a une température de
fusion inférieure ou voisine de celle du métal de moulage,
il se produit une dé-formation de l'insert préjudiciable à la
locàlisation correcte de ce dernier.
C'es-t pourquoi, la demanderesse, conscierlte de l'intérêt
présenté par les pièce~ bimatériaux et des problèmes que
pose leur réalisation , a cherché et trouvé une solution qui
constitue la matière de la présente invention.
Cette dernière consiste en un procédé d'obtention par
moulage de pièces bimatériaux formées d'une âme en un
alliage d'aluminium insérée dans une matrice en un autre
alliage d'aluminium~ caractérisé en ce que l'on enlève la
couche naturelle d'alumine présente en surface de l'âme,
puis, on la revêt immédiatement après d'un film imperméable
aux gaz d'un métal ayant une énergie libre de formation
d'oxyde supérieure à -500 kJ/mole d'oxygène entre l'ambiante
et 1000 K, ayant une température de fusion supérieure à
celles de l'âme et de la matrice, étant soluble dans
l'aluminium liquide et formant avec l'aluminium un
eutectique, on place l'âme revêtue dans un moule que l'on
remplit avec l'alliage de la matrice à l'état fondu à une
température telle qu'au moins 30% de l'âme soit refondue
superficiellement.
Ainsi, la première caractéristique de l'invention consiste à
enlever la couche naturelle d'alumine inévitablement
présente à la surface de l'alliage formant l'âme. Ceci peut
être obtenu par décapage acide ou basique. Cette opération
permet de lever l'obstacle principal à l'établissement d'un
lien métallurgique entre les composants de la pièce et doit
être réalisée immédiatement avant de procéder à la suivante
afin d'éviter la formation d'une nouvelle couche d'alumine.
La deuxième caractérlstique de l'invention est le revê-tement
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de l'âme par un film imperméable aux gaz afin d'eviter son
oxydation dans le temps.
Ce film est en un métal ayant une énergie libre de forma-tion
de l'oxyde supérieure à -500 kJ/mole d'oxygène entre
l'ambiante et 1000 K de manière a être suffisamment
résistant à l'oxydation.
Ce metal doit être soluble dans l'aluminium afin de
permettre l'établissement de la continuite métallurgique
en-tre l'~me et la matrice au moment de la coulée. Il doit
avoir egalement une température de fusion supérieure
celles de l'âme et de la matrice de facon à assurer jusqu'au
moment de sa dissolution une fonction de protection de
l'insert contre l'oxydation.
Ce film a pour fonction de substituer à la couche d'alumine
tou~ours présente à la surface de l'insert, et qui constitue
un obstacle à l'é-tablissement d'une liaison avec la matrice,
une couche métallique ayant de meilleures affinités avec les
alliages d'aluminium liquides.
La troisième caractéristique de l'invention consiste à
placer l'âme revetue dans un moule et à le remplir avec
l'alliage de la matrice à l'etat fondu a une température
telle que le bilan thermique de l'opération de coulée
conduise à une refusion superficielle de l'âme d'au moins
30%.
La combinaison de ces caractéristigues aboutit finalement à
la continuité mé-tallurgique recherchée et perme-t d'atteindre
des taux de liaison compris entre 90 et 100%.
Toutefois, dans ces conditions, si le métal formant l'lnsert
a une température inférieure ou voisine de celle du métal de
moulage, on ne peut empêcher la déformation dudi-t insert
préjudiciable à sa localisation correcte. C'est pourquoi,
dans ce cas, l'invention consis~e également ~ utiliser une
âme contenant une dispersion de produits r~fractaires.
Ces produits refrac-taires ont pour fonc-tion d~ former une
espèce de squelette qui préserve l'intégrité de la f~rme de
l'insert pendant la coulée de la ma-trice. En effet, bien que
le dit insert soit r~fondu partiellement, le squelette
étant constitué d'un matériau réractaire, c'est a dire
infusible dans les conditions de la coulée, permettra ~
l'insert de garder sa forme initiale~ En outre, on peut
tirer avantage de l'amélioration des propriétés mécaniques
et de la stabilité dimensionnelle procurées par la présence
du squelette dans l'alliage d'aluminium, avantages
abondamment décrits dans la littérature.
Ce squelette peut être constitué par tout matériau céramique
réf~actaire, qu'il soit sous forme de fibres ou de
particules, habituellemen-t utilisé avec les alliages
d'aluminium et de préférence l'alumine. Il a de préférence
une géométrie analogue à celle de l'insert de manière à
réaliser une préforme.
Il représente en volume une proportion comprise entre 5 et
% par rapport à l'alliaga constltuant l'âme ; une
proportion plus faible rendant difficlle la réalisa-tion de
la préforme tandis qu'une proportion plus forte constitue
une limi~e de compaction des fibres par un procédé classique
de fabrication de préforme.
Néanmoins, les meilleurs résultats sont o~tenus quand la
fraction volumique est comprise entre 10 et 40 %.
Les couples d'alliages utilisés dans l'invention sont tels
qu'à la température correspondant ~ la refusion partielle a
30% de l'ame, l'alliage de la matrice est lui encore
totalement liquide. De préférence, on met en oeuvre pour
l'~me les alliages de la série des 200 suivant les normes de
l'Aluminium Association et pour la matrice les alliages de
la série des 300 et des 6000 suivant les mêmes normes. On
peut citer, par exemple, pour l'~me, l'alliage 204.2 appelé
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autrefois A-U5GT ( alliage d'aluminium contenant
principalement en poids : 4,2-4,9~ de cuivre, 0,20-0,35~ de
magnésium, 0,15-0,25% de titane ) et pour la matrice, soit
l'alliage B380 encore appele suivant la norme française
AFNOR : A-S9U3 ( alliage d'aluminium contenant environ 9~ de
silicium, environ 3~ de cuivre ) ou les alliages A356 et
A357 correspondant aux A-S7G suivant l'AFNOR ( alliages
d'aluminium contenant en poids environ 7~ de silic~um,
envirQn 0,3% ou 0,7% de magnésium ) ou encore l'alliage
6061.
Le moulage s'effectue généralement dans un moule en sable ou
métallique par gravi-té, sous basse pression, sous pression
ou encore par la technique de la cire perdue.
De pxéférence également, les métaux qui conviennent le mieux
à la réalisation du film sont soit le nickel, le cobalt,
l'argent ou l'or.
Pour 8txe suffisamment étanche, le film a de préférence une
epaisseur comprise entre 0,5 et 5~m, Toutefois, les
meilleurs résultats sont obtenus dans la gamme d'épaisseur
comprise entre 1 et 2~m. Au delà de 5~m, l'epaisseur est
trop forte et rend la dissolution du film dans la matrice
trop lente.
En ce qui concerne le nickel, il a été trouv~ que la
meilleure métho~e pour obtenir un revêtement correct
consistait en un procédé chimique de dépôt toujours précéd~
d'un dégraissage et d'un décapage de la couche d'oxyde
Dans ces conditions, le revêtement a un bon comportement ~
la corroslon; il a un pouvoir couvrant qui permet d'obtenir
un dépôt régulier quelle que soit la forme de la pièce à
traiter; son adhérence aux substrats métalliques est bonne
et peut encore être améliorée par un tral-tement thermique.
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De plus, il adhère parfaitement aux fibres qui a~fleurent en
surface.
L'invention peut être illustrée ~ l'aide des figures 1 et 2
ci-jointes qui représentent des micrographies de pieces
obtenues respectivement suivant l'art antérieur et suivant
l'invention. Ces pièces ont été réalisées ~ partir d'un
insert en alliage A204.2 (A-U5~T) renforcé par 20% en
volume de fibres en alumine (marque SAFFIL) ayant une
longueur de quelques dizaines de microns e~ d'une matrice en
alliage B380 (A -S9U3). L' insert de la pièce de la figure 2
a eté revêtu d' un film de nickel d'epaisseur 2 ~m avant
moulage de la matrice.
On constate sur la micrographie de la figure 1, entre
l'insert et la matrice, une discontinui-té représentée par la
ligne courbe 1 tandis que sur la micrographie de la figure
2, la liaison est parfaite entre l'insert et la matrice.
L'invention trouve son application, notamment dans la
fabrication des pontets inter soupapes des culasses des
nouvelles générations de moteurs turbodiesel et l'insertion
de conduits de forme complexe dans les pièces de moulage
pour l'aéronautique.
