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CA 02659041 2009-01-15
WO 2008/009825 PCT/FR2007/001245
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Procédé de fabrication de pièces forgées à chaud en alliage de
magnésium
La présente invention concerne le domaine du travail des métaux, et
plus particulièrement des alliages en magnésium.
Pour la réalisation de certaines pièces de machines à hautes
performances, on utilise couramment l'aluminium ou bien un alliage
d'aluminium pour leurs propriétés mécaniques combinées à un faible poids.
Pour ces raisons, ils trouvent un emploi dans les véhicules automobiles et
les machines aéronautiques notamment. Conventionnellement les pièces,
telles que des éléments de carter de moteur, sont usinées dans des plaques
ou des ébauches obtenues par la technique du moulage. Cependant,
lorsqu'il s'agit de pièces soumises en fonctionnement à des températures
allant au delà de 150 - 180 C, la stabilité thermique de ces matériaux
devient insuffisante. Cette faiblesse se traduit en service par des
déformations et des pertes de résistance mécanique. En augmenter la masse
n'est pas une solution dans un domaine où le poids est un facteur important
de choix du matériau.
On a proposé de remplacer ce métal par des alliages à base de
magnésium pour les mêmes applications. En effet, ceux-ci sont connus
d'une part pour leur densité plus basse et d'autre part parce qu'ils sont
susceptibles de bénéficier d'une meilleure tenue à chaud. Cependant tous
les alliages de magnésium ne sont pas satisfaisants. Par exemple, les séries
d'alliage connus AZ31, AZ61 ou AZ80 et ZK révèlent des comportements
proches des alliages d'aluminium et ne répondent ainsi pas au besoin
exprimé. De nouveaux alliages de magnésium moulés sont apparus ces
dernières années et sont destinés au même domaine d'application, mais le
moulage génère des taux d'aléas élevés, de l'ordre de 15 à 30%. Les
défauts tels que la porosité ou les retassures doivent être pris en compte
dans le dimensionnement de pièces. Cela réduit le bénéfice de leur emploi.
Par ailleurs à la connaissance du déposant, il existe un seul alliage de
magnésium forgé industriel qui présente des caractéristiques suffisamment
stables dans le domaine d'emploi à une température supérieure à 180 C le
WE 43 mais il est très coûteux.
Cependant, selon l'art antérieur, il est admis que la résistance à la
rupture et la limite d'élasticité d'un bloc d'alliage de magnésium sont
influencées négativement par la température à laquelle la déformation est
effectuée. La figure 6.64 de l'ouvrage Magnesium technology de 2006
par Horst E. Friedrich et Barry L. Mordike aux éditions Springer
Allemagne, montre ainsi qu'un lingot d'alliage de QE22 (Mg-2,2Ag-2Nd-
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0,5Zr) soumis à un traitement d'extrusion voit ses caractéristiques
mécaniques diminuer quand on augmente la température à laquelle celui-ci
est effectué. La température explorée a été limitée à 400 C.
Le déposant s'est fixé comme objectif de réaliser une pièce en alliage
de magnésium, pour la réduction de masse qu'il procure par rapport à
l'aluminium notamment mais dont les stabilités métallurgique et
dimensionnelle aux températures de fonctionnement de la pièce, soient
suffisantes pour ne pas nécessiter d'épaississement des zones sollicitées
mécaniquement. En effet un tel épaississement est souvent rendu nécessaire
pour tenir compte de la perte de caractéristiques liée au vieillissement
thermique du matériau qui la constitue.
Il est important que le coût reste inférieur à celui de la mise en
oeuvre des alliages connus.
L'invention parvient à réaliser ces objectifs avec un procédé de
fabrication d'une pièce en alliage de magnésium comprenant une étape de
forgeage d'un bloc dudit alliage suivie d'un traitement thermique,
caractérisé par le fait que l'alliage est un alliage de fonderie à base de 85
%
magnésium comprenant en poids :
0,2 à 1,3 % de Zinc,
2 à 4,5 % de Néodyme,
0,2 à 7,0 % de terre rare métallique de poids atomique 62
à 71, 0,2 à 1,0 % de zirconium, et
que le forgeage est réalisé à une température supérieure à 400 C.'
Un exemple d'alliage de fonderie est celui fourni par la société
Magnesium Elektron Limited (sous la référence Elektron 21) de
dénomination normalisée EV31A et dont la composition plus précise est la
suivante. L'alliage de magnésium comprend : 0,2 à 0,5% de Zinc, 2,6 à 3,1
% de Néodyme, 1,0 à 1,7 % de Gadolinium, et est saturé en Zirconium. Ce
produit est défini par les revendications de la demande de brevet WO
2005/035811.
Plus particulièrement, la température de forgeage est comprise entre
420 et 430 C et la déformation plastique est effectuée à vitesse lente,
notamment à une vitesse correspondant à une vitesse de déplacement du
coulisseau de forgeage inférieure à 40mm/sec.
Alors que selon l'art antérieur, comme cela est illustré dans
l'ouvrage cité plus haut, le forgeage à chaud d'un alliage de magnésium de
fonderie n'apparaissait pas donner des résultats améliorés quant à ses
caractéristiques mécaniques, on a constaté avec surprise que l'application
du procédé de l'invention sur un alliage de fonderie de la famille de
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l'EV31A, fournissant déjà des caractéristiques mécaniques élevées et une
résistance à la corrosion améliorée, permettait la réalisation de pièces ayant
en outre une excellente tenue au vieillissement tout en étant en service
soumis à des températures de l'ordre de 200 C. En outre par le forgeage, on
réduit sensiblement le taux d'aléas.
De préférence et conformément à un mode de réalisation la
déformation plastique de forgeage est effectuée par matriçage en une ou
plusieurs étapes.
. Conformément à un autre mode de réalisation, la déformation
plastique est effectuée par filage ou laminage.
Conformément à une autre caractéristique, le bloc initial vient de
moulage et plus particulièrement bloc moulé est corroyé au préalable avant
matriçage.
Conformément à une autre caractéristique, le forgeage est suivi d'un
traitement thermique avec une étape de mise en solution, une étape de
trempe et une étape de revenu à une température comprise entre 200 C et
250 C.
On décrit maintenant, un mode de réalisation de l'invention à titre
d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels
la figure 1 montre un bloc d'alliage de fonderie dans sa forme initiale
avant forgeage et dans sa forme après corroyage,
la figure 2 est un exemple d'installation de matriçage.
On a traité au préalable un bloc en alliage EV31A venu de fonderie.
Un lopin, d'élancement initial (rapport H/D) de l'ordre de 2, a été corroyé
une pluralité de fois, pour obtenir une galette 1 d'élancement H/D = 1/5,
rapport pour lequel il est possible de la forger, sans qu'elle soit contenue
latéralement, sans risque de flambage et de création d'imperfections dans
les fibres du métal. Le corroyage est ici obtenu par refoulement ou autre
technique. Un dispositif de refoulement pour le corroyage de lopins
métalliques comprend deux tas plats, pouvant comporter éventuellement un
logement d'encastrement. Un lopin est disposé sur le tas inférieur, les deux
tas plats étant pressés l'un contre l'autre, par une presse, pour assurer le
refoulement du lopin, qui prend donc la forme, correspondant au logement
entre les deux tas plats. Plusieurs opérations de refoulement sont
généralement nécessaires pour l'obtention du lopin utilisable en matriçage.
Des réchauffes de lopins sont possibles entre les différentes opérations de
refoulement.
On procède ensuite au matriçage en une ou plusieurs étapes .; par
exemple une première étape de matriçage ébauche permet d'obtenir une
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première forme approchant la forme définitive. Ensuite on procède au
matriçage de précision sur une presse permettant d'obtenir la pièce à la
forme définitive. On observe que cette forme définitive peut être le cas
échéant usinée pour obtenir la pièce prête à être utilisée. Un exemple
d'installation 3 est représenté sur la figure 2. Les matrices, supérieure 5a,
inférieure 5b sont des tas plats permettant l'obtention de la forme à l'étape
considérée. L'installation comprend des moyens de chauffage, en
l'occurrence un four électrique ventilé, pour chauffer la galette à la
température conforme au procédé de l'invention. Cette température est
supérieure à 400 C, de préférence elle est comprise entre 420 et 430 C
(température visée = 425 C) pour l'alliage EV31A. On chauffe de la même
façon l'ébauche avant l'étape de matriçage de précision.
Les outillages de matriçage sont préchauffés et maintenus en
température en cours de procédé de fabrication.
La vitesse de déformation de la pièce correspondant à la vitesse de
déplacement du coulisseau de la machine de matriçage est inférieure à 40
mm/sec, de préférence comprise entre 10 et 30 mm/s. la vitesse visée est de
mm/s.
Lorsque la pièce est sortie de l'installation de matriçage, elle est
20 ébavurée (enlèvement du surplus de matière utile à la fabrication des
pièces) et nettoyée.
Elle subit enfin un traitement thermique de type T6 en fonction des
caractéristiques mécaniques recherchées notamment pour assurer les
caractéristiques mécaniques et la stabilité dimensionnelle jusqu'à 200 C.
Ce traitement comprend :
une mise en solution pendant 8 heures à 520 C,
une trempe à l'eau + polymère < 40 C ou eau de 60 à 80 C,
Un revenu à une température comprise entre 200 C et 250 C
pendant une durée supérieure à 16 heures. Cette température est déterminée
en fonction de la température de fonctionnement prévue de la pièce.
La plage de température de revenu comprise entre 200 C et 225 C
est optimisée pour obtenir de meilleures caractéristiques dans le cas d'un
fonctionnement à température ambiante.
La plage de température de revenu comprise entre 225 C et 250 C
est optimisée pour obtenir de meilleures caractéristiques dans le cas d'un
fonctionnement à température supérieure à 180 C.
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On a procédé à des essais de manière à pouvoir comparer les
propriétés mécaniques de l'alliage forgé avec un alliage moulé de l'art
antérieur AS7G06T 1 R2 qui est une référence pour l'aéronautique.
On a mesuré la résistance à la rupture Rm en Mpa et la limite
5 d'élasticité Rp0.2.
Sans vieillissement
Essai à température
ambiante Rm (MPa) Rpo,Z (Mpa)
AS 7G06T 1 R2 >_ 270 >_ 220
EV 31 A forgé 287 187.5
Après 10 000h de vieillissement à 180 C
Baisse des
Rm (MPa) Rpo,2 (Mpa)
caractéristi ues
AS7G06T1R2 53% 68%
EV 31A forgé 15% <15%
Ces tableaux montrent une amélioration significative des
caractéristiques mécaniques de l'alliage forgé de l'invention par rapport à
un alliage de magnésium de l'art antérieur de fonderie, notamment
concernant les caractéristiques après 10 000 heures de vieillissement à
180 C.
