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PROCEDE D'OBTENTION DE PIECES BIMATERIAUX PAR SURMOULAGE
D'UN INSERT REVETU D'UN FILM METALLIQUE.
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.-
La présente invention est relative à un procédé d'obtentionde pièces bimatériaux par surmoulage d'un insert revetu d'un
film métallique.
Elle concerne plus particulièrement les pièces formées d'un
insert en alliage d'aluminium ou d'un autre métal tel que le
fer ou le cuivre qui est intégré au moins en partie par
surmoulage dans une matrice en un alliage d'aluminium.
Cette structure particulière est utilisée, par exemple, pour
la confection de pièces automobiles telles que 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 utilisation à des contraintes
particulières, notamment thermiques, et que pour éviter
certaines répercussions 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 constaté que la réalisation de ces pièces
bimatériaux posait des problèmes, notamment en ce qui
concerne la liaison entre l'insert et le métal de
surmoulage.
En effet, d'une part, l'adhérence entre les constituants des
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pièces n'est pas toujours convenable et il en résulte alors
une insuffisance au niveau des propriétés mécaniques ou
physiques telles que la conductivité thermique, par exemple
; d'autre part, le surmoulage s'effectuant avec le métal à
l'état fondu par remplissage d'un moule dans lequel a été
placé l'insert, si le métal formant l'insert a une
température de fusion inférieure ou voisine de celle du
métal de surmoulage, il se produit une déformation de
l'insert préjudiciable à la localisation correcte de ce
dernier.
ETAT DE LA TECHNIQUE.
Certes, des solutions ont déjà été apportées à ce problème.
On peut citer, par exemple, la demande de brevet européen
384 045 qui enseigne : " un procédé pour obtenir une liaison
métallurgique entre un matériau métallique, ou un matériau
composite ayant une matrice métallique, et un produit de
moulage en métal ou en alliage métallique, qui comprend un
traitement de la surface dudit matériau au moyen du dépôt
d'une fine couche de métal généralement différent des métaux
contenus dans le matériau et le produit moulé et qui soit
capable d'accroître la mouillabilité entre le métal de
moulage et le matériau, de même que le coefficient de
transfert de chaleur entre les produits à lier ; et une
étape de moulage autour du matériau composite en même métal,
placé à l'intérieur du moule, du métal ou de l'alliage
métallique du produit de moulage."
Dans cette demande, la fine couche qui permet de réaliser la
liaison métallurgique est composée d'un métal appartenant au
groupe constitué par l'or, l'argent, le cuivre, le nickel,
le platine, le chrome, le tungstène, l'iridium, le
molybdène, le tantale, le niobium, l'osmium, le rhénium, le
rhodium, le ruthénium et le zirconium.
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Selon cette demande, ces fines couches de métaux ont la
propriété d'assurer la mouillabilité de l'insert afin de
permettre le transfert de chaleur vers ce dernier. Il est
spécifié que la couche d'oxyde qui se trouve à la surface de
l'insert doit être lavée par le métal liquide de surmoulage.
Pour résoudre le problème de liaison de l'insert avec le
métal de surmoulage, la demanderesse a également préconisé
une solution dans sa demande de brevet en France n 90
10224. Elle consiste : " à enlever la couche naturelle
d'alumine présente en surface de l'insert par décapage acide
ou basique puis, à le revêtir 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 celle de l'insert et du métal de surmoulage,
étant soluble dans l'aluminium liquide et formant avec
l'aluminium un eutectique, à placer l'insert revêtu dans un
moule que l'on remplit avec l'alliage de moulage à une
température telle qu'au moins 30% de l'insert soit refondu
partiellement."
PROBLEME POSE.-
Si ces solutions apportent effectivement une amélioration dela liaison métallurgique entre l'insert et le métal de
surmoulage en diminuant ou en supprimant la couche d'oxyde
d'aluminium en surface de l'insert, elles ne tiennent pas
compte de l'oxyde présent à la surface du métal liquide de
de surmoulage qui constitue un obstacle tout aussi important
à la liaison parfaite entre les matériaux en présence.
EXPOSE DE L'INVENTION.-
C'est pourquoi la demanderesse, soucieuse de résoudre ceproblème d'oxyde, a cherché et mis au point un procédé
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d'obtention de pièces bimatériaux par surmoulage d'un
alliage d'aluminium sur un insert revêtu d'un film
métallique caractérisé en ce que l'on enlève la couche
d'oxyde de l'insert par traitement sous vide puis, on revêt
l'insert d'un film à base de titane par dépôt physique en
phase vapeur et place l'insert revêtu dans un moule que l'on
remplit avec l'alliage de surmoulage.
Ainsi, l'invention comporte trois moyens différents.
Le premier moyen consiste à enlever préalablement la couche
d'oxyde toujours présente à la surface de l'insert par un
traitement dans une enceinte sous vide afin de permettre une
bonne adhérence avec le film dont il va ensuite être revêtu.
On remarquera ici la différence avec l'art antérieur où
cette couche d'oxyde est enlevée :
-soit par un décapage acide ou basique où on met en oeuvre
des produits chimiques plus ou moins nocifs, corrosifs ou
présentant des nuisances pour l'environnement ;
-soit par lavage par le métal de surmoulage à l'état fondu
ce qui entraîne la présence de particules oxydées dans le
dit métal nuisibles à la bonne santé des pièces bimatériaux
ainsi obtenues.
Le dit insert utilisé est constitué par une masse de forme
géométrique quelconque :
-soit d'un alliage d'aluminium ;
-soit d'un alliage d'aluminium renforcé par un squelette
en matériau réfractaire, formé de préférence par des fibres
en alumine ;
-soit encore d'un produit ferreux ou cuivreux.
Le deuxième moyen consiste à revêtir l'insert d'un film à
base de titane.
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Ce film est déposé suivant la technique de dépot en phase
vapeur sous pression réduite et peut etre obtenu dans
l'enceinte où s'effectue l'enlèvement de la couche d'oxyde
ce qui a l'avantage d'éviter toute réoxydation et de garder
une couche de métal vierge en surface de l'insert.
Ce film est constitué soit par du titane pur soit par un
alliage de titane et de préférence celui qui est désigné
sous l'appellation TA6V et qui a pour composition pondérale
: aluminium 6%, vanadium 4~, solde titane et impuretés
habituelles.
Par rapport aux autres métaux et alliages utilisés dans
l'art antérieur, le titane et ses alliages ont la propriété
d'etre des agents réducteurs très efficaces de l'alumine à
la température de coulée de l'alliage d'aluminium de
surmoulage de sorte qu'ils permettent de pièger l'oxygène
présent à la surface de contact du film avec le dit alliage
et d'assurer une liaison parfaite entre eux.
En effet, du fait des propriétés particulières du titane, il
s'agit bien d'un piègeage car l'oxygène ne forme pas avec le
titane à proprement parler un oxyde qui pourrait créer un
obstacle à la liaison mais plutôt une solution solide
d'insertion de sorte qu'une liaison métallique subsiste.
De plus, le titane et ses alliages sont peu oxydables à la
température ambiante ce qui autorise le stockage d'inserts
ainsi revêtus sans risque de réoxydation et donne plus de
liberté au procédé quant à l'utilisation de moyens de
protection des inserts et à leur délai de mise en oeuvre.
L'adhérence du titane ainsi déposé est très bonne, ce qui
permet la manipulation des inserts revetus sans précaution
particulière.
Le troisième moyen consiste à placer l'insert revetu dans un
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moule que l'on remplit avec l'alliage de surmoulage.
Le moule peut être en sable, en métal ou encore en cire
perdue et le moulage effectué par différentes techniques
telles que le moulage par gravité ou sous basse pression, le
moulage-forgeage, le moulage sous pression.
En ce qui concerne l'alliage de surmoulage, bien que tout
alliage d'aluminium convienne, on utilise de préférence les
alliages de moulage désignés suivant les normes fran~aises
et les normes de l'Aluminum Association (entre parenthèses )
par les références : A-S5U3 et A-S7U3 ( 319 ), A-S9U3 (380
), A-S7G0,3 ( A356 ), A-S7G0,6 ( A357 ), A-U5GT ( A204 et A
206 ), A-U5GT à l'argent ( A201 ).
La liaison insert-métal à surmouler peut être de deux
natures :
-si la couche de titane à la surface est mince, c'est-à-dire
de l'ordre du micromètre, la liaison est alternativement une
liaison métallurgique directe entre l'alliage de moulage et
l'insert là où la couche de titane a été brisée, et une
double liaison insert/titane et titane/alliage de moulage ;
-si la couche de titane est épaisse, c'est-à-dire supérieure
à 3 micromètres, la liaison est principalement constituée du
double accrochage insert /titane et titane / alliage de
moulage.
La première solution est applicable quand l'insert est à
base d'aluminium car il n'y a alors aucun inconvénient à
mettre en contact les deux métaux et l'épaisseur du film
peut etre alors comprise entre 0,5 et 3 micromètres.
La deuxième solution s'applique, outre aux inserts à base
d'aluminium, aux inserts en alliage de cuivre ou de fer car
il faut alors éviter, dans le cas du cuivre, la formation
d'un eutectique AlCu à bas point de fusion qui peut être la
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cause d'un phénomène de brûlure et dans le cas du fer celle
d'intermétalliques AlFe fragiles.
Dans ce dernier cas, il est possible de faire un double
dépôt en phase vapeur : une première couche d'un élément
constituant une barrière de diffusion efficace, puis une
deuxième couche adhérente sur la première, constituée de
titane, visant à assurer la liaison avec l'aluminium de
moulage et ayant de préférence une épaisseur comprise entre
2 et 10 micromètres avec un optimum entre 3 et 8
micromètres.
Ce procedé présente également l'avantage par rapport au
procédé antérieur de la demanderesse de ne point nécessiter
la refusion partielle de l'insert grâce à l'avidité du
titane pour l'oxyde présent en surface du métal liquide et
peut donc être mis en oeuvre dans des conditions de
températures relativement plus basses.
DESSINS.-
L'invention peut être illustrée au moyen des figures 1 à 5ci-;ointes qui représentent des micrographies au niveau de
la liaison insert-alliage de surmoulage de pièces obtenues
conformément aux exemples d'application 1 à 3 de la présente
demande :
-la figure l montre au grandissement 400 l'association ( en
haut ) d'un insert en alliage d'aluminium du type 6061
suivant les normes de l'Aluminum Association et d'un alliage
d'aluminium de surmoulage du type 319 par l'intermédiaire
d'un film de TA6V d'épaisseur 1 micromètre ( exemple 1.1 ).
-la figure 2 montre au grandissement 200 la même association
par l'intermédiaire d'un film de TA6V d'épaisseur 8
micromètres ( exemple 1.2 ).
-la figure 3 montre au grandissement 200 l'association ( en
bas ) d'un insert en 6061 renforcé de fibres d'alumine et
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d'un surmoulage en 319 par l'intermédiaire d'un film de TA6V
d'épaisseur 1 micromètre ( exemple 2.1 ).
-la figure 4 montre au grandissement 200 l'association d'un
insert et d'un surmoulage du même type que précédemment par
l'intermédiaire d'un film de titane pur d'épaisseur
micromètre ( exemple 2.2 ).
-la figure 5 montre au grandissement 200 l'association d'un
insert ( en bas ) en cuivre et d'un surmoulage en 380 par
l'interm~diaire d'un film de titane d'épaisseur 1 micromètre
( exemple 3 ).
Sur toutes ces figures, on peut constater une liaison
continue entre l'insert et l'alliage de surmoulage.
EXEMPLES D'APPLICATION.-
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemplesd'application suivants :
Exemple 1.-
On a mis en oeuvre un insert en alliage d'aluminium du type6061 suivant les normes de l'Aluminum Association que l'on a
revêtu par dépôt en phase vapeur (P.V.D.) d'un film de TA6V
et autour duquel on a surmoulé un alliage d'aluminium
contenant en poids 6% de silicium et 3% de cuivre.
Dans un premier essai, un film d'épaisseur 1 micromètre a
été déposé et on a mesuré une résistance mécanique à
l'interface insert-alliage de surmoulage de 90 MPa.
Dans un deuxième essai, un film d'épaisseur 8 micromètres a
éte déposé et on a mesuré une résistance de 105 MPa.
Exemple 2.-
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On a mis en oeuvre un insert en alliage d'aluminium du type
6061 contenant 20% en volume de fibres d'alumine et un
alliage de surmoulage de même composition que celui de
l'exemple 1.
Dans un premier essai, on a déposé par P.V.D. un film de
TA6V d'épaisseur 1 micromètre et on a mesuré une résistance
en traction de l'interface de 120 MPa.
Dans un deuxième essai, on a déposé par la même technique un
film de titane pur d'épaisseur 1 micromètre et on a mesuré
une résistance de 135 MPA.
Exemple 3.-
On a mis en oeuvre un insert en cuivre revêtu d'un film de
titane d'épaisseur 5 micromètres autour duquel on a
surmoulé un alliage d'aluminium contenant en poids 9% de
silicium et 3% de cuivre.
L'invention trouve son application, par exemple, dans la
confection de pièces automobiles telles que les culasses de
moteur et l'insertion de renforts locaux et de conduits dans
les pièces aéronautiques.
