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CA 02249464 1998-09-17
WO 97/35040 PCT/FR97/00439
ALLIAGE THIXOTROPE ALUMINIUM-SILICIUM-CUIVRE
POUR MISE EN FORME A L'ETAT SEMI-SOLIDE
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domainè des alliages aluminium-silicium cuivre,
pouvant
contenir éventuellement d'autres éléments d'addition tels que le ma~ésium,
coulés
sous forme de billettes présentant une structure de solidification globulaire
lui
lo conférant des propriétés thixotropes et destinés à être mis en forme, par
forgeage ou
injection sous pression, après réchauffage à l'état serai-solide. Une telle
mise en forme
est connue sous le nom de thixoformage
Etat de la technique
ts
Le thi,~coformage s'est développé à partir de la découverte faite au début des
années
1970 par l'équipe du Pr FLEMINGS au MIT qu'un métal, élaboré dans certaines
conditions particulières, présente, lorsqu'il est réchauffé à l'état serai-
solide, une
viscosité apparente qui dépend fortement de la vitesse de cisaillement, de
sorte qu'il
2o se comporte comme un soude au cours des manutentions et comme un liquide
visqueux lorsqu'on l'injecte dans un moule. Cette propriété conduit, par
rapport aux
procédés traditionnels de mise en forme, à une meilleure qualité métallurgique
des
pièces produites, des cadences de production plus élevées, une usure moindre
des
outils et des moules et une économie d'énergie.
25 Dans ce but, la solidification du métal au thixoformage doit conduire à une
structure
Globulaire, et non dendritique, qui peut être obtenue soit par agitation
mécanique du
mélange solide-liquide comme dans le brevet US 3948650 du MIT. soit par
brassage
électromagnétique comme dans les brevets US 4434837 et US 4457355 d'ITT-
ALITMAX ou les brevets EP 0351327 et EP 0439981 d'ALLTMINILJM PECHINEY.
Les billettes ainsi coulées sont découpées en lopins correspondant à la
quantité de
métal nécessaire à la fabrication de la pièce à former, ces lopins étant
réchauffés à
l'état serai-solide, généralement par chauffage à induction, et transférés à
l'équipement de mise en forme (presse à forger ou machine d'injection sous
pression).
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Ce procédé s'est développé de manière industrielle essentiellement pour les
alliages
d'aluminium destinés à la fabrication de pièces pour l'industrie automobile.
De fait, la
quasi-totalité des livraisons a porté sur des alliages du type Al-Si7Mg à 7%
de
silicium et moins de 1% de magnésium, par exemple les alliages Al-Si7Mg0,3 et
Al-
Si7Mg0,6 (A356 et 357 selon la nomenclature de fAluminum Association pour les
alliages de moulage). Ces alliages présentent une bonne aptitude au
thixoformage. En
effet, quand on les réchauffe de manière à obtenir un taux de fraction liquide
de
l'ordre de 50%, correspondant à un optimum des propriétés rhéologiques du
métal, la
phase eutectique est complétement refondue alors que la fusion de la phase
primaire
1o de silicium n'est pas entamée.
Les caractéristiques mécaniques des pièces réalisées à l'aide de ces alliages
sont
bonnes et on a la possibilité d'adapter la résistance et/ou la ductilité par
l'utilisation de
différents traitements thermiques. Cependant, la résistance à la rupture
maximale,
pour un alliage de ce type à 0,6% de magnésium, reste limitée à environ 350
MPa à
l'état T6.
Le brevet FR 2266749 de la demanderesse, publié en 1975, décrit un procédé de
formage, par exemple par coulée sous pression, d'alliages d'aluminium à l'état
semi-
solide, avec un taux de fraction liquide supérieur à 35%. Les exemples
mentionnent
les alliages AS9U3 à 9% de silicium et 3% de cuivre, et AU4SG à 4% de cuivre,
0, 75 °,% de silicium et 0, 5 % de magnésium.
Probième posé
Pour améliorer la résistance mécanique des alliages destinés au thixoformage,
soit
pour augmenter la résistance des pièces fabriquées, soit pour en faciliter
l'usinage, on
a essayé d'utiliser des alliages contenant de 1 à 5% de cuivre. Avec par
exemple un
alliage à 3% de cuivre, on ne rencontre aucun problème particulier à la coulée
des
billettes, et la résistance mécanique au niveau de la billette est
effectivement améliorée
de plus de 25%. Si on ajuste la température de réchauffage à (état serai-
solide, en
l'abaissant de quelques degrés C, pour rester à un taux de fraction liquide
voisin de
50%, le thixoformage de cet alliage s'opère aussi facilement. Par contre, on
constate
une baisse importante, de l'ordre de la moitié, de l'allongement sur la pièce
traitée T6
par rapport à celui mesuré sur la billette au même état métallurgique, alors
que, pour
_ _ . F~1~1~6~ N90DiFIEE _
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.. ,;
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l'alliage sans cuivre, l'allongement de la billette traitée et celui de la
pièce traitée sont
pratiquement identiques.
La demanderesse a essayé d'élucider la raison de ce comportement surprenant.
Une
analyse microstructurale des lopins en alliage au cuivre réchauffés à l'état
serai-solide,
puis trempés à l'eau, a révélé la présence d'amas fragilisants de cristaux de
silicium de
forme polyédrique.Ces mêmes amas ont également été mis en évidence sur la
surface
de rupture des éprouvettes de traction tirées de pièces thixoformées à partir
de ces
lopins. Une hypothèse permettant d'expliquer cette microstructure est que la
phase
eutectique n'a pas été complétement refondue, comme dans le cas des Al-Si7Mg
sans
lo cuivre, et que le silicium de l'eutectique a coalescé pour former des amas
de cristaux
~osslers.
Pour éviter ces amas de cristaux de silicium préjudiciables à l'allongement
des pièces,
les inventeurs ont essayé d'augmenter la température de réchauffage pour
obtenir une
refusion complète de la phase eutectique. Mais ceci a conduit à un taux de
fraction
liquide de l'ordre de 60%, entrainant un effondrement du lopin réchauffé au
cours des
manutentions, qui ne permettent plus le thixoformage dans des conditions
industrielles
acceptables.
But de l'invention
~o
L'invention a pour but de trouver un domaine de composition d'alliages
aluminium
silicium à plus de 5°% de silicium et contenant de 1 à S% de cuivre
permettant de
sortir du dilemme exposé ci-dessus, c'est à dire de permettre à la fois un
thixofoimage
sans problème et d'obtenir des pièces présentant une haute résistance
mécanique et un
35 bon allongement.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet l'utilisation d'un alliage d'aluminium de composition
(% en
30 poids): Si: 5% - 7,2% Cu: 1% - ~% Mg < 1% Zn < ~% Fe< l,~%
autres éléments < 1% chacun et 3% au total, reste aluminium, tel que: %Si <
7,~ -
%Cu/3, pour le formage à l'état serai-solide, à un taux de fraction liquide
compris
_ _ _ -_ F~U1LLL i~s00i~lEE
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3 bis
entre 35% et 55%, et avec, à cet état, une structure
exempte de cristaux polyédriques de silicium non refondus.
Elle a également pour objet un procédé de thixoformage de
pièces présentant une haute résistance mécanique et un bon
allongement à partir de cet alliage.
Plus particulièrement, la présente invention vise aussi un
procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium par
formage à l'état semi-solide, avec un taux de fraction
liquide compris entre 35 et 55%, et une structure exempte
de cristaux polyédriques de silicium non refondus, d'un
alliage de composition (en poids):
Si: 5%-7,2% Cu: 1%-5% Mg < 1% Zn < 3% Fe < 1.5%
autres éléments: < 1% chacun et < 3% au total, reste
aluminium, avec la condition: % Si < 7,5-% Cu/3.
Dans ce domaine, on peut définir 3 compositions particu-
lières telles que:
1) Si: 5% - 7% Cu: 1% - 1,5%
2) Si: 5% - 6,3% Cu: 2,5 - 3,5%
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3) S1: 5% - 6% Cu: 3,5% - 4,5%
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Description de la figure
La figure unique représente, dans un diagramme ayant pour abscisse la teneur
en
silicium et pour ordonnée la teneur en cuivre, les droites d'égale fraction
eutectique et
le domaine de composition selon l'invention.
Description de i'invention
io
Les alliages selon (invention restent dans les domaines de composition
habituels des
alliages de moulage AISiCu. On ne descend pas en dessous de 5% de silicium car
l'alliage devient difficile à couler. L'addition de cuivre n'a un effet
significatif sur la
résistance mécanique et l'usinabilité qu'à partir d'une teneur d'environ 1%
et, au delà
de 5 %, on a un effet très défavorable sur l' allongement. Le magnésium, à une
teneur
inférieure à 1%, accroît la réponse au traitement thermique grâce à la
formation de
particules durcissantes MgZSi, mais, au-delà de 1%, on a également un effet
défavorable sur l' allongement.
Des teneurs relativement élevées peuvent être observées pour le zinc et le fer
dans le
2o cas où l'on part de métal secondaire issu de reyclage. Ces teneurs sont
évidemment
beaucoup plus réduites si l'on part de métal primaire.
On peut aussi ajouter, comme on le fait habituellement dans les alliages AISi
de
fonderie, un agent de modification du silicium de l'eutectique, tel que le
sodium, le
strontium ou (antimoine, qui évite la formation de grains trop grossiers de
silicium
Le sodium et le strontium peuvent être présents seuls ou ensemble, l'antimoine
étant
toujours seul. Pour le strontium par exemple, la teneur est comprise entre
0,005 et
0.,05°,'~. De même, une addition de titane jusqu'à 0,2% et/ou de bore
jusqu'à 0,1%,
permet un affinage du grain et une meilleure résistance à chaud.
Afin de maintenir, pour les alliages au cuivre, les mêmes propriétés
rhéologiques au
o cours du thixoformage que pour les alliages de composition identique mais
sans
cuivre. tout en obtenant également une refusion complète du silicium
eutectique dans
le lopin réchauffé à l'état serai-solide, gage d'un bon allongement de la
pièce finie, les
inventeurs ont eu l'idée de modifier la teneur en silicium en fonction de la
teneur en
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cuivre. Ils ont ainsi constaté qu'on pouvait obtenir un comportement au
thi.~coformage
identique à celui d'un alliage Al-Si7 pour un alliage Al-SiCu si les teneurs
en Si et Cu
de cet alliage satisfont à la relation:
(1) %Si = 7 - %Cu/.î.
5 La droite représentant cette relation sur la figure est donc la droite des
compositions
correspondant à 50% de fraction eutectique. Ainsi, un alliage Al-Si6Cu3Ma0,6
ou un
alliage Al-Si6,5Cu1,5Mg0,6 ont un comportement au thixoformage identique à
celui
d'un alliage Al-Si7Mg0,6, c'est à dire qu'on peut obtenir au réchauffage un
taux de
fraction liquide voisin de 50% avec une fusion complète de l'eutectique, et
donc une
to absence de cristaux polyédriques de silicium.
On a vérifié, pour les 2 compositions mentionnées, que la perte métal était de
8 ~ 2%,
identique à celle de l'alliage Al-Si7Mg0,6. On a mesuré la viscosité apparente
de
lopins réchauffés à une température située entre 2 et 5°C au dessus du
palier
eutectique, à l'aide d'un test de pénétration consistant à mesurer la
résistance à la
déformation F du lopin réchauffé, comprimé par un outil à vitesse constante au
terme
d'une course de longueur déterminée. On établit le rapport de cette force F à
une
force-seuil FS constante, pour une valeur conventionnelle de perte métal par
exsudation de 8%, la perte métal étant un indicateur du taux de fraction
liquide pour
un matériau donné.
2o Pour les deux compositions mentionnées, on trouve un rapport F/Fs de
l'ordre de
0,45, semblable à celui mesuré sur un lopin d'alliage Al-Si7Mg0,6.
Comme le taux de fraction liquide est contrôlable à environ ~ 5% près, compte
tenu
des intervalles habituels de teneur en silicium admis par les normes et
spécifications
pour les alliages considérés, on peut estimer que, sur la figure, la
composition de
l'alliage doit être telle que les teneurs en Si et Cu satisfassent à la
relation:
(2) 6,5 - %Cu/.î < %Si < 7,5 - %Cü/J
qui correspond au fait que le taux de fraction liquide obtenu avec fi.lsion
complète de
l'eutectique est compris entre 45 et 55%, ou que la fraction eutectique de
l'alliage est
comprise entre 45 et 55%.
3o De plus, on a constaté qu'on pouvait, pour ces alliages au cuivre, obtenir
un bon
comportement au tliixoformage en réchauffant les lopins jusqu'à un taux de
fraction
liquide nettement plus bas que 50%. Ainsi, pour un alliage à 5% de Si et
3°io de Cu,
on peut descendre jusqu'à 40% de fraction liquide et, pour un alliage à 5% de
Si et
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1.5°r~ de Cu, jusqu'à environ 35°,%. Par contre. en essayant un
aïIiage à 4% de silicium
et 3°rb de cuivre. on a constaté d'abord qu'à cause du grand intervalle
de solidification
(625 - 560°C), la coulée de billettes tliiYOtropes se fait avec
difficulté, entraînant des
défauts de coulée tels que des arrachements et des percées. Par ailleurs, le
comportement au tlii~coformage est mauvais: dès que le remplissage de la
cavité du
moule commence, la perte thermique par échange avec la paroi du moule conduit
à
une resolidification partielle et une augmentation de la viscosité apparente
qui entraîne
des défauts dans la pièce injectée, tels que des replis, retassures ou non-
venues.
Ainsi, en se reportant à la figure représentant Ies teneurs en silicium et
cuivre, sur
laquelle on a fait figurer les droites d'égale fraction eutectique, on
constate que le
domaine correspondant aux compositions selon l'invention comprend non
seulement
la bande comprise entre les droites représentant les fractions eutectiques de
55% et
45%, c'est à dire la frange entourant la droite représentant 50%, mais aussi
la zone
comprise entre 45% et 35% qui, compte-tenu de Ia limite inférieure de Cu à 1%,
ls correspond pratiquement au triangle adjacent.
