Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
1
Pièce de sécurité moulée en alliage Al-Si.
Domaine de l'invention
L'invention concerne la fabrication de pièces moulées de sécurité, destinées
notamment à l'automobile, telles que par exemple des pièces de suspension, en
alliages Al-Si hypoeutectiques, ces pièces présentant après traitement
thermique une
1o résistance mécanique élevée, une ductilité suffisante, une bonne résistance
à la
corrosion et une bonne santé métallurgique.
Etat de la technique
L'utilisation des alliages d'aluminium de moulage se développe rapidement dans
l'automobile, notamment pour les pièces de sécurité telles que les liaisons au
sol,
permettant un allègement du véhicule. Cet allègement est d'autant plus
important
qu'on peut obtenir, après traitement thermique, une résistance mécanique
élevée. Par
ailleurs, il est indispensable, pour ce type de pièce, d'avoir une ductilité
suffisante
pour éviter une rupture fragile en cas de choc, une bonne résistance à la
corrosion,
notamment à la corrosion sous contrainte, pour éviter une détérioration de la
pièce
dans un environnement corrosif tel que le sel de déneigement, et une absence
de
retassure, en particulier en surface, ce qui pourrait générer des fissures
entraînant une
rupture de la pièce.
Les procédés couramment utilisés poux la production de telles pièces sont le
moulage
en moule métallique par gravité ou sous basse pression, le « squeeze casting
», le
moulage en moule métallique suivi d'un forgeage, ou d'un matriçage tel que
dëcrit
dans le brevet US 5582659 (Nippon Light Metal et Nissan Motor), ou dans le
certificat d'utilité FR 2614814 (Thomas DI SERIO), ou le formage à l'état semi-
3o solide par injection sous pression ou forgeage(thixomoulage ou rhéomoulage
selon
qu'on part de l'état solide ou de l'état liquide).
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
2
Le moulage à modèles évaporatifs perdus (lost foam) sous pression isostatique,
le
moulage sous pression de haute qualité, éventuellement sous vide; et le
moulage au
sable ou en moule métallique suivi d'une compaction isostatique à chaud sont
également applicables.
Les alliages utilisés habituellement pour ce type de pièce sont généralement
des
alliages Al-Si-Mg, notamment du type AlSi7Mg, AlSi9Mg ou AISilOMg. Ces
alliages présentent en effet aux états F, TS et surtout T6, un bon compromis
entre la
résistance mécanique et l'allongement, et une excellente résistance à la
corrosion.
Cependant, la résistance mécanique est limitée par la capacité de durcissement
par la
phase Mg2Si.
Plusieurs brevets illustrent l'utilisation de tels alliages. Le brevet US
4104089,
déposé en 1976 par Nippon Light Metal concerne des pièces moulées sous
pression
sans porosité pour l'automobile à haute résistance mécanique et tenue aux
chocs, de
composition (% en poids)
Si : 7 -12 Mg : 0,2 - 0,5 Mn : 0,55 -1 Fe : 0,65 -1,2
Les pièces sont traitées par mise en solution entre 450 et 530°C,
trempées et
soumises à un revenu de plus d'une heure entre 150 et 230°C.
Le brevet US 5582659, déposé en 1993 par Nippon Light Metal et Nissan Motor,
revendique un procédé de fabrication de pièces moulées comportant la coulée
d'une
2o ébauche contenant (% en poids)
Si : 2,0 - 3,3 Mg : 0,2 - 0,6 Fe < 0,15 et éventuellement Cu : 0,2 - 0,5
Zr : 0,01 - 0,2 . Mn ; 0,02 - 0,5 Cr : 0,01- 0,3,
l'homogénéisation de cette ébauche entre 500 et 550°C, le forgeage de
l'ébauche et
son traitement thermique par mise en solution de 0,5 à 2 h entre 540 et
550°C, trempe
à l'eau et revenu T6 de 2 à 20 h entre 140 et 180°C.
Le brevet EP 0687742, déposé en 1994 par Aluminium Rheinfelden dëcrit un
alliage
pour coulée sous pression destiné à des pièces moulées de sécurité, de
composition
(% en poids)
Si : 9,5 -11,5 Mg : 0,1- 0,5 Mn : 0,5 - 0,8 Fe < 0,15 Cu < 0,03
3o Pour dëpasser le niveau de rësistance obtenu par la précipitation de MgaSi,
tout en
conservant des propriétés de fonderie adéquates, il faut utiliser des alliages
du type
AISiMgCu pouvant être durcis par la série de phases Al2Cu, Al2CuMg et w
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
3
(AICuMgSi). Il existe de nombreux alliages connus et normalisés . comportant
une
teneur en cuivre supérieure ou égale à 1 %., notamment des alliages AlSiS
comme
EN AC 45300 (type AlSiSCulMg, proche de AA C355) contenant de 1,0 à 1,5% Cu
EN AC 45100 (type AlSi5Cu3Mg, proche de AA 319) contenant de 2,6 à 3,6% Cu
ou des alliages AlSi8 ou AlSi9 comme
EN AC 46000 (type AlSi9Cu3), 46200 (typa AlSi8Cu3) ou 46500 (type
AlSi9Cu3FeZn). L'alliage EN AC 46400 présente une teneur en Cu comprise entre
0,8 et 1,3%. D'une manière générale, il est admis qu'il faut des teneurs en Cu
supérieures ou ëgales à 1 % pour obtenir un gain de dureté et de limite
élastique à
1o température ambiante par rapport aux alliages AISiMg. Mais, en raison même
du
durcissement apporté par ces teneurs en Cu, l'allongement devient faible et la
résistance à la corrosion médiocre, généralement insuffisante pour les pièces
de
sécurité automobiles.
L'article de F. J. Feikus « Optimization of Al-Si cast alloys for cylinder
head
applications » AFS Transactions 98-61, pp. 225-231, étudie l'ajout de 0,5% et
1% de
cuivre à un alliage AlSi7Mg0,3 pour la fabrication de culasses de moteurs à
combustion interne. Après un traitement T6 classique comportant une mise en
solution de 5 h à 525°C, suivi d'une trempe à l'eau froide et d'un
revenu de 4 h à
165°C, il n'observe aucun gain en limite d'élasticité, ni en dureté à
température
ambiante. Ce n'est qu'à des températures d'utilisation au delà de 150°C
que l'ajout
de cuivre apporte un gain significatif de limite d'élasticité et de résistance
au fluage.
L'ancienne norme française NF A57-702 de février 1960 mentionnait l'alliage A-
S4G, avec une tolérance très large en fer (< 0,65%), une plage étendue pour la
teneur
en magnésium (0,40 - 0,95%), et des caractéristiques mécaniques à l'état Y33
peu
élevées : Rm > 25 lcgf/mma (245 MPa) Rpo,2 > 18 kgf/mm2 (176 MPa) A > 1,5%.
Ces caractéristiques étaient inférieures à celles de l'alliage A-S7G0,6,
normalisé dans
l'édition de février 1981 de la même norme, qui étaient respectivement
R", > 290 - 320 MPa Rpo,2 > 210 - 240 MPa A > 4 - 6%
Le but de la présente invention est de fournir des pièces de sécurité, pouvant
être
3o coulées en utilisant l'ensemble des procédés de moulage, et présentant une
résistance
mécanique élevée, une bonne résistance à la corrosion sous contrainte et une
bonne
ductilité.
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
4
Objet de l'invention
L'invention a pour objet une pièce de sécurité à haute résistance mécanique et
bonne
ductilité, moulée en alliage Al-Si de composition (% en poids)
Si : 2 - 11 Mg : 0,3 - 0,7 Cu : 0,3 - 0,9 autres éléments < 1 chacun et < 2
au total, reste aluminium,
et traitée thermiquement par une mise en solution, une trempe et un revenu
conduisant à une dureté de plus de 125 Brinell.
1o De préférence, l'alliage contient de 0,5 à 0,7% Mg et de 0,3 à 0,9% Cu.
Dans le cas où le procédé de moulage peut tolérer des alliages avec une plus
grande
tendance à la retassure, comme par exemple la coulée sous pression, le «
squeeze
casting », la coulée suivie d'une compaction isostatique à chaud, le moulage à
l'état
semi-solide (thixomoulage ou rhéomoulage), le moulage suivi d'un forgeage ou
d'un
matriçage, et le moulage à modèles évaporatifs perdus (lost foam) sous
pression
isostatique , la composition de l'alliage comprend de 2 à 7% Si.
L'invention a également pour objet une pièce de sécurité à haute résistance
mécanique et bonne ductilité, moulée en alliage Al-Si de composition (% en
poids)
Si : 2 - 6 Mg : 0,3 - 0,7 Fe < 0,20 autres éléments < 0,3 chacun et < 1 au
total, reste aluminium,
et traitée thermiquement par une mise en solution, une trempe et un revenu
conduisant à un indice de qualité Q = Rm + 150 log A > 485 MPa.
Description des figures
La figure unique représente, pour des alliages AISi à 7% de silicium contenant
respectivement 0,45% et 0,9% de cuivre, la variation de dureté HB en fonction
de la
durée de revenu en heures, pour 3 températures de revenu : 170°C,
180°C et 190°C.
Description de l'invention
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
L'invention repose sur la constatation qu'une addition de cuivre, à une teneur
comprise entre 0,3 et 0,9%, à un alliage AISiMg , non seulement est acceptable
en ce
qui concerne la résistance à la corrosion sous contrainte, mais conduit
également,
dans des conditions particulières de revenu, à une amélioration de la limite
5 d'élasticité et de la résistance à la rupture sans détérioration de
l'allongement par
rapport à l'alliage de même composition sans cuivre.
Si on compare un alliage classique du type AISi7Mg0,6 au même alliage avec
0,45%
de cuivre, au même état T6 obtenu par un revenu de 6 h à 160°C, on
constate, pour
l'alliage au cuivre, une absence de variation de la limite d'élasticité, une
légère
1o augmentation de l'allongement, une légère diminution de la dureté HB, qui
passe de
119 à 114, et surtout une dégradation importante de la résistance à la
corrosion sous
contrainte, mesurée selon la norme ASTM G49. Par contre, si au lieu du revenu
classique de 6 h à 160°C, on effectue par exemple un revenu de 16 h à
170°C,
conduisant à une dureté de la pièce traitée de l'ordre de 130 HB, on constate
que,
pour l'alliage au cuivre, la limite d'élasticité augmente (de 309 à 320 MPa),
et, de
manière surprenante, sans aucune dégradation de l'allongement, ni surtout de
la
résistance à la corrosion sous contrainte.
L'invention s'applique à tous les alliages AISiMgCu contenant (en poids) de 2
à 11%
de silicium, de 0,3 à 0,7% de magnésium et de 0,3 à 0,9% de cuivre, les autres
2o éléments d'addition ou impuretés n'excédant pas 1% chacun et 2% au total.
De
préférence, la teneur en magnêsium est comprise entre 0,5 et 0,7%, et celle en
cuivre
entre 0,3 et 0,6%. L'alliage peut contenir avantageusement de 0,05 à 0,3% de
titane
dans un but d' affinage, et un ou plusieurs éléments modificateurs ou
affinants de
l'eutectique, tels que le sodium (entre 0,001 et 0, 020%), le strontium (entre
0,004 et
0,050%) ou l'antimoine (entre 0,03 et 0,3%).
La teneur en fer est maintenue, de préférence, en dessous de 0,15%, ou, encore
mieux, en dessous de 0,12%, de manière à éviter la formation de phases au fer
défavorables à l' allongement.
Dans Ie cas oû on utilise un procédé de moulage tolérant mieux les alliages
ayant une
3o plus grande tendance à la retassure, on peut encore améliorer le compromis
entre les
propriétés recherchées. Ces procédés de moulage, qui se sont développés
récemment,
sont notamment le moulage à l'état semi-solide (thixomoulage ou rhéomoulage),
le
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
6
squeeze casting, le moulage suivi d'un forgeage ou d'un matriçage, le moulage
à
modèles ëvaporatifs perdus (« lost foam ») sous pression isostatique, la
coulée sous
pression sous vide, et le moulage suivi d'une compaction isostatique à chaud
(HIP).
Dans ces cas, il est possible d'abaisser sensiblement la teneur en silicium en
dessous
de 7%, sans altérer la santé des pièces produites, ce qui conduit à une
amélioration
notable de la ductilité. L'abaissement de la teneur en silicium peut aller
jusqu'à 2%, et
son ampleur dépend des paramètres de coulée ; il n'est limité que par
l'aptitude à la
coulée, le comportement à la retassure et la criquabilité.
Lorsqu'on utilise des alliages selon l'invention avec une teneur en silicium
comprise
1 o entre 7 et 11 %, et le revenu selon l' invention, par exemple pour la
fabrication de
pièces minces nécessitant une bonne coulabilitë, on peut éviter la perte de
ductilité
induite par la teneur élevée en silicium en utilisant un procédé de moulage
avec une
vitesse de solidification élevée, conduisant à un espacement de bras de
dendrites
infërieur à 20 ~.m, comme le squeeze casting, la coulée sous pression sous
vide, le
thixomoulage ou le rhéomoulage.
Le degré de durcissement structural conduisant à une dureté HB de plus de 125
est
obtenu par un revenu dans le domaine de température 170 - 190°C, d'une
durée
comprise entre 4 h et 20 h, la durée décroissant lorsque la température croît,
comme
le montre la figure où sont reprësentées, en fonction du temps, les duretés
obtenues à
2o des températures respectives de I70, 180 et 190°C, pour un alliage à
7% de silicium
contenant 0,45 ou 0,9% de cuivre.
L'invention concerne également l'utilisation, pour le même type de pièces de
sécurité, d'un alliage à basse teneur en silicium, comprise entre 2 et 6%,
contenant de
0,3 à 0,7% de magnésium et moins de 0,20% de fer, les autres éléments
d'addition et
impuretés n'excëdant pas 0,3% chacun et 1% au total. La teneur en magnésium
est,
de préférence, comprise entre 0,45 et 0,65%. La teneur en fer est maintenue de
préfërence en dessous de 0,15%, et encore mieux en dessous de 0,12%. L'alliage
peut
contenir de 0,05 à 0,30% de titane dans un but d'affinage, ainsi qu'un ou
plusieurs
élëments modificateurs ou affinants de l'eutectique, tels que le sodium à une
teneur
3o comprise entre 0,01 et 0,20%, le strontium entre 0,004 et 0,050% ou
l'antimoine
entre 0,03 et 0,3%.
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
7
Les pièces moulées en un tel alliage présentent, lorsqu'elles sont traitées à
l'état T6,
une résistance à la rupture au moins égale à celle de l'alliage équivalent à
7% de
silicium, et un allongement supérieur, ce qui leur confère un indice de
qualité Q
nettement supérieur, de l'ordre de 515 MPa, au lieu de 480 à 485 MPa. Cet
indice de
qualité Q ~ Rm + 150 log A a été défini dans l'article de M. Drouzy, S. Jacob
et M.
Richard du Centre Technique des Industries de la Fonderie « Le diagramme
charge
de rupture allongement des alliages d'aluminium. L'indice de qualité.
Application
aux A-S7G. », Fonderie, n° 355, avril 1976, pp. 139-147. Cet indice est
un bon
indicateur de la performance mécanique globale de ce type d'alliages.
1o
Exemples
Exemple 1
On a coulé sous forme d'éprouvettes coquille de diamètre 18 mm selon la norme
NF
A 57-702 les 3 alliages A, B et C de composition (en % en poids) indiquée au
tableau
l, qui ne diffèrent, pour l'essentiel, que par leur teneur en cuivre.
Tableau 1
Alliage Si Fe Cu Mg Ti
A 6,95 0,12 0,01 0,60 0,12
B 6,85 0,13 0,47 0,58 0,13
C 6,87 0,13 0,94 0,59 0,13
Après coulée, les éprouvettes sont soumises à une compaction isostatique à
chaud
destinée à éliminer toute microporosité, cette compaction étant représentative
des
divers procëdés de moulage comportant une phase de compaction sous haute
pression pendant la solidification, comme la coulée sous pression, le squeeze
casting,
le thixomoulage, le rhéomoulage ou le moulage à modèles perdus évaporatifs
sous
pression isostatique, ou après la solidification, comme le moulage-matriçage.
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
8
Les éprouvettes ont été ensuite mises en solution avec des paliers
préliminaires
destinés à remettre en solution les eutectiques contenant du cuivre, et un
palier
principal d'homogénéisation et de globulisation du silicium eutectique de 16 h
à
530°C. Elles sont ensuite trempées à l'eau et soumises aux traitements
de revenu
indiqués au tableau 2. Le revenu de 6 h à 160°C est conforme à l'art
antérieur, les
revenus de 10 h et 16 h à 170°C sont conformes à l'invention.
Le tableau 2 indique les caractéristiques mécaniques statiques des éprouvettes
traitées
- résistance à la rupture Rm (en MPa)
1o - limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rpo,2 (en MPa)
- allongement à la rupture A (en %)
- dureté Brinell (HB)
On indique également l'indice de qualité Q = Rm + 150 log A.
Tableau 2
Alliage Revenu Rm Rpp 2 A HB Q
A 6h-160 319 243 12,8 119 485
A 10h-170 343 304 8,3 124 480
A 16h-170 341 309 7,8 125 474
B 6h-I60 345 246 I4,2 1I4 518
B 16h-170 374 320 8,3 128 512
C 6h-160 361 244 15,7 115 540
C 16h-170 388 320 9,1 131 532
On constate que, pour les alliages au cuivre B et C, la résistance à la
rupture Rm et la
limite élastique Rpo,2 augmentent par rapport à l'alliage A avec le revenu
selon
l'invention, alors que Rpo,2 est pratiquement inchangée avec le revenu de
l'art
antérieur. Avec le revenu selon l'invention, l'allongement, contrairement à ce
qu'on
aurait pu attendre, ne diminue pas, et augmente même légérement avec la teneur
en
cuivre, ce qui, compte tenu de l'augmentation de Rm améliore substantiellement
l'indice de qualité Q.
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
9
A partir des mêmes éprouvettes d'alliage B et C, on a usiné des éprouvettes
plates
d'ëpaisseur 2 mm qu'on a soumises à l'essai de corrosion sous contrainte par
immersion-émersion dans l'eau de mer artificielle suivant la norme ASTM G49,
avec
des contraintes égales à 75% de la limite d'élasticité mentionnée au tableau
2. Les
résultats sont repris au tableau 3
Tableau 3
Teneur en Cu Revenu Rupture des prouvettes
0,45% 6 h -160C 100% rompent entre
5 et
llj
0,45% 16 h -170C 100% rsistent plus
de 60 j
0,90% 6 h -160C 100% rompent entre
5 et 7j
0,90% 16 h - 170C 75% rsistent > 60j,
25%
rompent entre 15
et 60 j
1o On constate que le revenu selon l'invention améliore très nettement la
résistance à la
corrosion sous contrainte par rapport au revenu T6.
Exemple 2
On a préparé, dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, des éprouvettes
en 3
alliages D, E et F à 4% de silicium, dont la composition (% en poids) est
indiquée au
tableau 4
Tableau 4
Alliage Si Fe Cu Mg Ti
D 4,0 0,11 0,03 0,63 0,13
E 3,9 0,08 0,44 0,63 0,13
F ~ 4,1 ~ 0,09 ~ 0,85 ~ 0,64 ~ 0,13
CA 02432039 2003-06-13
WO 02/48414 PCT/FRO1/03966
On a mesuré, après différents revenus, les mêmes paramètres que dans l'exemple
1,
qui sont indiqués au tableau 5
Tableau 5
5
Alliage Revenu R", Rpp,2 A HB Q
D 6h/160C 342 266 15,0 119 518
D lOh/170C358 309 11,2 124 515
E 16h1170C378 322 11,6 132 538
F 16h/170C388 319 9,3 132 533
On constate tout d'abord que l'alliage D sans cuivre à 4% de silicium
présente, par
rapport à l'alliage A de l'exemple 1 à 7% de silicium, et quel que soit le
revenu
pratiqué, une résistance mécanique et un allongement supérieurs, et donc un
indice de
1o qualité substantiellement amélioré.
On constate ensuite qu'avec les alliages au cuivre et le revenu selon
l'invention, on
améliore à la fois, par rapport à l'alliage sans cuivre, la résistance à la
rupture, la
limite élastique et l'indice de qualité, du fait que l'allongement,
contrairement à ce
qu'on aurait pu attendre, ne diminue pas, et même augmente légèrement.
Exemple 3
On a remplacé les alliages E et F de l'exemple 2 par des alliages E' et F', de
même
composition à l' exception du fer, leur teneur en fer étant portée
respectivement à 0,18
2o et 0,16%. Avec le même traitement thermique comportant un revenu de 16 h à
170°C, on obtient des allongements A respectifs de 7,5% et 6,8%, soit
une baisse
respective de 35% et 27%.
