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Pièce moulée en alliage d'aluminium au cuivre à haute résistance mécanique et
au
fluage à chaud
Domaine de l'invention
L'invention concerne les pièces moulées en alliage d'aluminium au cuivre
soumises à des
contraintes mécaniques élevées et travaillant, au moins dans certaines de
leurs zones, à des
températures élevées, notamment des culasses de moteurs diesel ou essence
suralimentés.
Etat de la technique
Sauf mention contraire, toutes les valeurs relatives à la composition chimique
des alliages
sont exprimées en pourcentages pondéraux.
Les alliages couramment utilisés pour les culasses des véhicules de grande
série
automobile sont essentiellement des alliages au silicium (de 5 à 10 % de Si en
général)
contenant souvent du cuivre et du magnésium afin d'en augmenter les
caractéristiques
mécaniques, en particulier à chaud. Les principaux types utilisés sont les
suivants :
A1Si7Mg, A1Si7CuMg, AlSi(5 à 8)Cu3Mg, AlSi 10Mg, AlSi 1 OCuMg. Ces alliages
sont
utilisés avec différentes modalités de traitements thermiques : parfois à
l'état état F sans
aucun traitement, parfois à l'état état T5 avec un simple revenu, parfois à
l'état T6 avec
une mise en solution, une trempe et un revenu au pic de durcissement ou
légèrement en-
dessous, et souvent à l'état T7 avec une mise en solution, une trempe et un
sur-revenu ou
une stabilisation.
La raison pour laquelle on utilise des alliages aluminium silicium est la
supériorité de leurs
propriétés de fonderie, en particulier absence de criquabilité, coulabilité
élevée, bon
pouvoir d'alimentation de la retassure. Seuls ces alliages à silicium
supérieur ou égal à 5%
se prêtent bien au moulage en coquille, par gravité ou basse pression, qui est
le procédé
dominant pour les culasses automobiles de grande série.
Pour des fabrications de faible série généralement faites en moulage au sable,
telles que les
culasses de véhicules à hautes performances ou les pièces travaillant à chaud
destinées à
l'armement et à l'aéronautique, on utilise aussi parfois des alliages au
cuivre du type
AlCu5 additionnés d'éléments favorisant la tenue à chaud comme Ni, Co, Ti, V
et Zr: on
note en particulier dans cette catégorie l'AlCu5NiCoZr et l'AlCu4NiTi. Ces
alliages sont
très résistants à chaud, en particulier à 300 C où ils surpassent nettement
les aluminium
silicium mentionnés plus haut, mais souffrent de deux graves faiblesses : leur
criquabilité
élevée, joint à un mauvais comportement à la retassure, qui les rend très
difficiles à couler
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en coquille en grande série, et également la médiocrité de leurs
caractéristiques
mécaniques à température ambiante : ils ont en particulier un allongement très
faible, qui
les rend fragiles et peu performants en fatigue mécanique. Le tableau 1 résume
les
caractéristiques à température ambiante de ces deux alliages coulés au sable
et traitées
thermiquement à l'état T7 (Rp0.2 (ou 0.2%TYS) étant la limite d'élasticité en
MPa; Rm
(ou UTS) étant la résistance à la rupture en MPa; et A (ou E) étant
l'allongement à la
rupture en %):
Tableau 1
Alliage Rp0.2 (MPa) Rm (MPa) A (%)
A1Cu4NiTi Non mesurable 343 0.11
AlCu5NiCoZr 270 295 1
11 existe aussi un alliage anciennement normalisé par l'Aluminum Association
(désignée
AA par la suite par commodité) sous le numéro 224, qui est du type
A1Cu5MnVZr. Il a
été déclaré inactif par cette association qui l'a retiré depuis des années
de son document
périodiquement remis à jour Designations and Chemical Composition Limits for
Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot . Cet alliage 224 ne
contient pas de
magnésium (cet élément entrant dans la catégorie des impuretés, avec un
maximum à
0.03% chacune, 0.10% total), et des résultats de caractérisation anciens sur
des plaques
coulées au sable ont montré les caractéristiques à l'état T7 décrites dans le
tableau 2 :
Tableau 2
Alliage Rp0.2 (MPa) Rm (MPa) A (%)
224 280 360 4.8
Problème posé
Etant donné que, dans les futurs moteurs diesel à rampe commune ou
suralimentés à
essence, les chambres de combustion des culasses, et en particulier les
pontets inter-
soupapes, atteindront, voire dépasseront, 300 C, et subiront des pressions
plus élevées que
dans les générations des moteurs précédents aujourd'hui en service, l'emploi
d'alliages
aluminium cuivre constitue une solution en rupture par rapport aux progrès
incrémentaux apportés par l'optimisation des alliages aluminium silicium.
Mais il faut encore trouver un alliage de cette famille qui combine :
- hautes propriétés mécaniques à température ambiante,
- hautes propriétés mécaniques dans le domaine 250 ¨ 300 C,
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-
et haute résistance au fluage à 300 C, température caractéristique notamment
des
pontets inter-soupapes, éléments particulièrement sollicités thermo-
mécaniquement.
Les alliages AlCu5Mg classiques tels que l'A1Cu5MgTi (désigné 204 suivant
l'AA), et les
A206 et B206 (suivant l'AA), destinés à des pièces travaillant à température
ambiante ou
modérée ne répondent pas à ces exigences, en particulier à 300 C.
Les alliages A1Cu4NiTi et A1Cu5NiCoZr (203 suivant l'AA) mentionnés plus haut
sont
eux trop faibles et fragiles à température ambiante.
L'A1Cu5MnVZr (ancien 224 suivant l'AA) destiné aux pièces travaillant à chaud
présente
une combinaison de propriétés plus intéressante mais manque encore de limite
d'élasticité
à température ambiante par rapport aux propriétés améliorées recherchées: il
donne, à l'état
T7, une limite d'élasticité Rp0.2 = 280 MPa, à comparer avec 275 MPa pour
l'AISi7Cu0.5Mg0.3 T7 et 311 MPa pour l'AlSi5Cu3Mg T7 (valeurs mesurées par la
demanderesse et publiées respectivement dans les articles Alliages
d'aluminium
améliorés pour culasses Diesel (Hommes et fonderie- février 2008- N 382) et
Aluminium Casting Alloys for Highly Stressed Diesel Cylinder Heads , (3.
internationales Symposium Aluminium + Automobil) ;Düsseldorf; FRG ; 3-4
Feb.1988,
pp. 154¨ 159, 1988).
On a donc cherché à obtenir un progrès considérable par rapport à l'ancien 224
en termes
de limite d'élasticité et de résistance ultime depuis la température ambiante
jusqu'à 250 ¨
300 C. On a aussi cherché à améliorer la résistance au fluage à 300 C de cet
ancien
alliage.
Objet de l'invention
- 25
L'invention a donc pour objet une pièce moulée à haute résistance mécanique
statique à la
température ambiante et à chaud et à haute tenue au fluage à chaud, en
particulier à 300 C
et plus, coulée en alliage d'aluminium de composition chimique suivante,
exprimée en
pourcentages pondéraux :
Si : 0.02 - 0.50 %, de préférence 0.02 - 0.20 % et plus préférentiellement
0.02 - 0.06%,
Fe: 0.02 - 0.30 %, de préférence 0.02 -0.20 %, plus préférentiellement 0.02 -
0.12 % et
mieux 0.02 ¨ 0.06%,
Cu : 3.5 ¨ 4.9 %, de préférence 3.8 ¨ 4.9 % et plus préférentiellement 4.0 -
4.8 %,
Mn: <0.70 %, de préférence 0.20 - 0.50 %,
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Mg: 0.05 - 0.20 %, de préférence 0.07 - 0.20 %, et plus préférentiellement
0.08 - 0.20 %
et enfin de façon très préférentielle 0.09 - 0.13%,
Zn: <0.30 %, de préférence <0.10 % et plus préférentiellement < 0.03% ,
Ni : <0.30 %, de préférence <0.10 % et plus préférentiellement <0.03%,
V : 0.05 - 0.30 %, de préférence 0.08 - 0.25 %, et plus préférentiellement
0.10 - 0.20%,
Zr: 0.05 - 0.25 %, de préférence 0.08 - 0.20 %,
Ti : 0.01 - 0.35 %, de préférence 0.05 - 0.25 % et plus préférentiellement
0.10 - 0.20%,
autres éléments au total <0.15%; et 0.05 % chacun,
reste aluminium.
Description des figures
La figure 1 représente une grappe de quatre éprouvettes coulées en coquille de
la société
Rio Tinto Alcan de diamètre 'A" (6.35 mm).
La figure 2 représente des courbes d'analyse enthalpique différentielle pour
les alliages
AlCu4.7MnVZrTi à teneur en magnésium de 0%, 0.09% et 0.13%.
La figure 3 montre des résultats d'essais de fluage à 300 C sur les alliages
A1Cu4.7MnVZrTi traités T7 et A1Si7Cu3.5MnVZrTi également traité T7 à teneur en
magnésium variable respectivement de 0% à 0.13%.et de 0.1% à 0.15%.
Description de l'invention
L'invention repose sur la constatation par la demanderesse qu'il est possible
d'apporter de
très importantes améliorations aux caractéristiques citées plus haut de
l'ancien alliage 224
(suivant l'AA), et de résoudre ainsi le problème posé, ce notamment par
l'addition d'une
quantité limitée de magnésium.
En effet, l'addition d'une petite quantité de magnésium, de l'ordre de 0.10 à
0.15%, permet
d'augmenter de façon considérable la limite d'élasticité et la résistance de
l'alliage non
seulement à température ambiante mais aussi à chaud, en particulier à 250-300
C et plus.
C'est à température ambiante que le gain relatif est le plus important : comme
exposé dans
les exemples qui suivent et les tableaux 6, 7, 8, la limite d'élasticité passe
d'environ 190
MPa sans magnésium à environ 340 MPa avec seulement 0.09% et ensuite à plus de
390
MPa avec 0.13%. Si l'on considère la moyenne des résultats obtenus avec 0.09%
et 0.13%
de magnésium, les gains observés sur la limite d'élasticité et la résistance à
température
ambiante sont remarquables : respectivement + 96% et + 29% en termes relatifs.
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L'allongement est par contre sensiblement réduit de moitié mais conserve
encore un niveau
convenable de 6 à 8%.
A température élevée, 250 puis 300 C, les gains apportés par l'ajout de
magnésium
subsistent même s'ils diminuent. Les gains observés sur la limite d'élasticité
et la
5 résistance sont respectivement de 35 et 13% en termes relatifs à 250 C,
et de 27 et 8% en
termes relatifs à 300 C. Loin de nuire à la stabilité à chaud des phases
durcissantes comme
on aurait pu l'envisager, l'addition de magnésium reste bénéfique au moins
jusqu'à 300 C,
et ce d'autant que la perte d'allongement s'estompe à ces températures
élevées.
De plus, l'addition de magnésium améliore considérablement la tenue au fluage
à chaud,
réduisant par approximativement 2 par exemple la déformation observée après
300h à
300 C sous une contrainte de 30 MPa. L'addition de magnésium ne nuit donc pas
à la
stabilité à chaud, contrairement à la philosophie qui a conduit à la
définition des alliages
A1Cu5NiCoZr (203 suivant l'AA) et AlCu5MnVZr (224 suivant l'AA) classiques qui
sont
dépourvus de magnésium.
11 est intéressant de situer le niveau moyen de performance de l'alliage
suivant l'invention
(par souci de simplicité on a attribué la moyenne des caractéristiques des
alliages à 0.09%
et 0.13% de magnésium à l'alliage désigné AlCu4.7MnMg,õ03,VZrTi )
comparativement
à quelques alliages culasses à base aluminium-silicium. Le tableau 3 résume
les
caractéristiques mécaniques.
Tableau 3
T ambiante 250 C 300 C
Alliage / traitement thermique Rp0.2 Rm A% Rp0.2 Rm A% Rp0.2 Rm A%
AlCu4.7MnMgmoyVZrTi T7 369 451 7.4 182 226 9.8 125
158 14.8
AlSi5Cu3Mg F 172 237 2.1 107 133 5.8 60
86 12
AlSi7M90.3Ti T7 257 299 9.9 55 61 34.5 40
43 34.5
AlSi7Cu0.5Mg0.3Ti T7 275 327 9.8 66 73 34.5 40
44 34.6
AlSi7Cu3.5Mg0.15 MnVZrTi T7 306 392 5.2 101 115 27 60
70 31
En ce qui concerne la tenue au fluage à 300 C, l'alliage selon l'invention
traité T7 peut
être comparé à l'A1Si7Cu3.5Mg0.15MnVZrTi également traité T7, qui a aussi été
mis au
point par la demanderesse et est à sa connaissance le plus résistant au fluage
de la série
d'alliages aluminium silicium considérés dans le tableau précédent. La courbe
de la figure
3 montre la très grande supériorité de l'A1Cu4.7MnMgVZrTi, qui se déforme
sensiblement
4 fois moins dans les mêmes conditions.
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Il apparaît ainsi que l'objectif de progrès en rupture par rapport aux
alliages existants
est bien atteint par l'addition de magnésium à une base de type A1Cu5MnVZrTi.
Bien que l'addition de magnésium abaisse progressivement la température de
brûlure hors
équilibre, il reste possible de mettre en solution l'alliage à 525 C ou 528 C
comme on le
fait par exemple assez classiquement avec les alliages A206 et B206. Un
traitement par
palier permettra éventuellement de traiter l'alliage à une température finale
un peu plus
haute mais ce traitement par palier n'est pas indispensable compte tenu des
résultats très
élevés obtenus avec un traitement isotherme sous la température de brûlure.
La teneur en magnésium peut être augmentée au-delà du domaine déjà expérimenté
dans
les exemples. Si on recherche uniquement résistance et dureté très élevées,
avec une
exigence de ductilité réduite, un niveau maximum de 0.38% peut être envisagé,
sachant
que la température de brûlure en sera abaissée et le traitement thermique
devra être adapté.
Le minimum pour obtenir un effet durcissant significatif est de l'ordre de
0.05%. Un
domaine plus restreint est de 0.07% à 0.30% et le domaine préféré,
correspondant aux
compromis résistance ¨ ductilité ¨ fluage quantifié dans les exemples tout en
ayant une
largeur industriellement acceptable est 0.08 ¨ 0.20%, voire de 0.09 à 0.13%.
Pour ce qui concerne les autres éléments constitutifs du type d'alliage
suivant l'invention,
leurs teneurs sont justifiées par les considérations suivantes :
Silicium : il est généralement néfaste à la ductilité et peut abaisser la
température de
brûlure. Par contre, il améliore les propriétés de fonderie et en particulier
est susceptible,
même à faible niveau, de réduire la criquabilité, comme décrit dans l'ASM
Handbook,
volume 15, édition 2008. Un niveau minimum de 0.02% est nécessaire. Un niveau
maximum de 0.50% est pensable pour des pièces solidifiées très rapidement ou
ne
nécessitant guère d'allongement, mais on préfèrera généralement moins de
0.20%, voire de
0.06%.
Fer: il est néfaste à la ductilité, mais diminue par contre la criquabilité,
comme également
décrit dans l'ASM Handbook, volume 15, édition 2008. De plus le limiter à un
très bas
niveau augmente évidemment le coût de la pièce. Un niveau minimum de 0.02% est
donc
avantageux. Un niveau maximum de 0.30% est pensable pour des pièces
solidifiées très
rapidement ou ne nécessitant guère d'allongement, mais on préfèrera
généralement moins
de 0.20% pour des grandes séries automobiles, voire de 0.12% ou même 0.06%
pour des
pièces extrêmement sollicitées.
Cuivre : il durcit l'alliage, augmentant limite d'élasticité et résistance
mais diminuant
l'allongement. La fourchette de l'ancien alliage 224 était de 4.5 à 5.5%.
L'expérience
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acquise par la demanderesse avec le B206 indique qu'il est bon de limiter le
cuivre à un
maximum de 4.9% car au-delà il est très difficile de remettre tout le cuivre
en solution.
Comme les présents résultats, obtenus avec un cuivre de 4.7 à 4.8%, montrent
que la
résistance à température ambiante obtenue avec addition de magnésium est très
élevée
mais que l'allongement est réduit par rapport à l'ancien alliage 224 sans
magnésium, il est
logique de prévoir la possibilité de réduire le cuivre en dessous de 4.5%, et
plus
particulièrement jusqu'à 3,5%. La demanderesse a effectué des travaux sur
l'alliage B206
pour lesquels elle estime que les résultats qui sont transposables à l'alliage
selon
l'invention et montrent que qu'un abaissement du cuivre de 5.0% à 4.0% permet
de gagner
notablement en allongement au prix d'une perte de résistance, mais que celle-
ci reste
supérieure à 400 MPa. Dans l'optique de certaines culasses, il est même
concevable
d'accepter une baisse un peu plus importante de la résistance pour privilégier
l'allongement et de réduire le cuivre jusqu'à 3.5%. On pourra choisir des sous-
domaines
entre 3.5% et 4.9% en fonction du compromis de caractéristiques visées pour la
pièce
spécifique. D'une façon générale, des sous domaines centrés sur 4.3% ou 4.4%
tels que 3.8
¨ 4.9% et mieux 4.0 ¨4.8% conduisent à un compromis assez équilibré.
Manganèse: cet élément ne doit pas excéder 0.70% sous peine de risquer de
former des
phases intermétalliques grossières. Comme il améliore généralement les
propriétés
mécaniques, particulièrement à chaud, un domaine de 0.20 ¨ 0.50% analogue à
celui des
alliages du type 206 est préféré.
Zinc: cet élément est une impureté qui, à haute teneur, peut diminuer les
propriétés
mécaniques et rendre le bain liquide plus oxydable. On peut envisager de
tolérer jusqu'à
0.30% dans le but de faciliter l'emploi de métal de recyclage, mais on préfère
moins de
0.10% et mieux moins de 0.03% pour des pièces à hautes performances.
Nickel: il contribue en général à la résistance mécanique à chaud mais réduit
considérablement l'allongement. Comme la résistance à chaud est assurée dans
l'invention
par l'addition d'autres éléments, cuivre, magnésium, vanadium et zirconium, le
nickel est
considéré ici comme une impureté, qu'on limite au maximum à 0.30% dans le but
de
faciliter l'emploi de métal de recyclage, et de préférence à 0.10% et encore
mieux à 0.03%
pour des pièces à hautes performances.
Vanadium: Cet élément péritectique améliore en particulier la résistance au
fluage à chaud.
La demanderesse a observé que, dans une autre base d'alliage contenant du
silicium, la
résistance au fluage était fortement améliorée entre 0 et 0.05%, puis
s'améliorait ensuite
plus progressivement de 0.05% à 0.17% et était au-dessus de 0.17% stable à un
excellent
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niveau. Limiter le niveau maximum de vanadium à 0.15% comme dans l'ancien 224
ne
paraît donc pas souhaitable. Dans l'alliage suivant l'invention, un niveau de
0.05 à 0.30%
est prévu, qui pourra être resserré à des sous-domaines plus étroits de 0.08 -
0.25% et
préférentiellement 0.10 - 0.20%.
Zirconium: cet élément péritectique améliore également en particulier la
résistance au
fluage à chaud, et son effet est additif à celui du vanadium. Une teneur de
0.05 - 0.25% et
de préférence 0.08 - 0.20% est retenue.
Titane: cet élément péritectique a deux effets différents : d'une part, il est
souvent utilisé
comme élément affinant du grain, souvent en combinaison avec un ajout
d'alliage mère ou
de sel ajoutant du titane et du bore. Cependant, il existe d'autres pratiques
d'affinage
consistant à n'ajouter que des produits introduisant du titane et du bore,
voire même du
bore seul, et dans ce dernier cas la présence de titane n'est pas favorable.
D'autre part, le
titane contribue à la bonne résistance au fluage à chaud, quoi que moins
fortement que
vanadium et zirconium, comme la demanderesse l'a observé. On a donc retenu une
teneur
maximum de 0.35%, mais on préférera en général une addition de 0.05 à 0.25% et
encore
mieux de 0.10 à 0.20%.
Les autres éléments sont à considérer comme des impuretés. Dans le but de
faciliter le
recyclage, on peut tolérer pour certaines pièces un niveau total maximum de
0.50%, mais
de préférence pour les pièces sollicitées on adoptera des maximas de 0.15% au
total et
0.05% chacun.
Exemples
On a élaboré dans un four électrique de 35 kg une série de trois compositions
d'alliages
décrites dans le tableau 4, tous éléments exprimés en % pondéral.
Tableau 4
Repère Si Fe Cu Mn Mg Ti V Zr
0 Mg 0.09 0.14 4.83 0.34 0.00 0.18 0.21 0.14
0.09 Mg 0.08 0.14 4.74 0.33 0.09 0.22 0.17 0.13
0.13 Mg 0.09 0.14 4.81 0.33 0.13 0.20 0.17 0.13
Ces alliages ont été affinés par addition d'A1Ti5B (30 ppm de titane ainsi
ajouté) et
dégazés par un traitement de 10 minutes à l'aide d'un rotor en graphite
tournant à 300 tours
/ minute avec un débit d'argon de 5 litres / minute, le tout sous couverture
d'un flux de
lavage MgC12 60% - KC1 40%.
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On a ensuite coulé des éprouvettes en coquille de diamètre 1/4" (6.5 mm)du
type de la
société Rio Tinto Alcan représentées à la figure 1 destinées aux essais de
traction ainsi que
des éprouvettes coquille ASTM B108 de diamètre 1/2" (12.7 mm) destinées à
servir
d'ébauches aux éprouvettes de fluage de 4 mm de diamètre. La figure 1
représente plus
particulièrement une grappe 10 de 4 éprouvettes 11 de la société Rio Tinto
Alcan coulées
en coquille avec un diamètre du fût 1/4" (6.35 mm). Cette grappe 10 reprend, à
l'échelle1/2,
la conception de l'éprouvette ASTM B108.
On a d'abord déterminé la température de brûlure des différentes compositions
en
procédant à des analyses enthalpiques différentielles (AED) sur des pastilles
usinées dans
les éprouvettes coulées. La vitesse de montée en température a été de 20
C/minute. Les
courbes d'AED sont représentées à la figure 2. Les températures de brûlure
observées
correspondant aux pics de fusion dépendent évidemment de la teneur en
magnésium
comme indiqué dans le tableau 5:
Tableau 5
Teneur en Mg (%) Température de brûlure ( C)
0 542.7
0.09 538.2
0.13 533.9
La température de brûlure se décale progressivement vers les températures plus
basses
quand la teneur en Mg augmente de 0% à 0.09% puis 0.13%.
On a ensuite traité thermiquement ces 3 alliages en leur appliquant une mise
en solution
comportant un palier préliminaire de 2 h à 495 C puis un palier principal de
12 h à 528 C,
suivi d'une trempe à l'eau à 65 C et d'un revenu de 4h à 200 C. On obtient
ainsi un alliage
à l' état T7.
Les ébauches destinées aux essais de fluage ont subi, préalablement à ce
traitement
thermique, une compaction isostatique à chaud sous 1000 bar à 485 C pendant 2h
afin
d'éliminer toute microporosité qui pourrait affecter sérieusement les essais
compte tenu du
faible diamètre de l'éprouvette.
Les caractéristiques mécaniques statiques ont été mesurées à température
ambiante et à
250 C et 300 C. Dans ces deux derniers cas, les éprouvettes ont été
préchauffées pendant
100 h à la température considérée avant d'être tractionnées.
Les résultats figurent dans les tableaux 6, 7 et 8 :
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Tableau 6 : caractéristiques mécaniques à température ambiante
Alliage Rp0.2 Rm A
Mg (%) MPa MPa
0 187.8 349.3 15.3
0.09 344.5 435.0 8.2
0.13 393.4 466.4 6.6
Tableau 7 : caractéristiques mécaniques à 250 C
Alliage Rp0.2 Rm A
Mg (%) MPa MPa
0 134.7 199.5 10.7
0.09 172.2 223.7 7.3
0.13 191.4 228.8 12.2
5 Tableau 8 : caractéristiques mécaniques à 300 C
_
Alliage Rp0.2 Rm A
Mg (%) MPa MPa
0 98.3 147.1 14.5
0.09 130.2 167.2 11.2
0.13 120.0 149.4 18.3
On a réalisé des essais de fluage à 300 C dans les conditions suivantes :
Les éprouvettes de diamètre 4 mm dans la zone utile, usinées dans les ébauches
de diamètre 12.7
10 mm, ont d'abord été préchauffées 100 h à 300 C dans un four séparé, puis
placées sur la machine
de fluage et stabilisées à nouveau 1/2 h à 300 C avant de les mettre sous une
charge constante de
30 MPa. La déformation en % est alors enregistrée continûment pendant une
durée de 300 h à
300 C. Le critère principal utilisé pour l'interprétation des essais est la
déformation obtenue après
300 h.
Le tableau 9 résume les résultats :
CA 02812236 2013-03-21
WO 2011/083209
PCT/FR2010/000812
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Tableau 9: Fluage à 300 C sous 30 MPa
Teneur en magnésium (%)
Déformation (en %) après 300h
0 0.26
0.09 0.13
0.13 0.14
Ces résultats sont reportés dans la figure 3 où apparaissent également à titre
de référence
les résultats obtenus par la demanderesse avec une série d'alliages de type
AlSi7Cu3.5MnVZrTI à différentes teneur en Mg.
Une pièce peut alors être moulée à partir de l'alliage avantageux définit ci-
dessus, cette
pièce pouvant notamment être une culasse ou un insert d'une culasse ou d'une
autre pièce
nécessitant une haute résistance mécanique statique à la température ambiante
et à chaud et
une haute tenue au fluage à chaud, en particulier à 300 C.
La pièce est avantageusement traitée T7, même si un traitement T6 est
également
envisageable.
Aussi, récemment, un nouveau procédé de fonderie nommé Moulage par Ablation
a été
introduit en Amérique du Nord. Ce procédé a été décrit dans l'article
Ablation Casting
de J.Grassi, J.Campbell, M.Hartlieb et F. Major présenté au TMS 2008. Ce
procédé
consiste à couler d'abord la pièce dans un moule de sable + liant assez
isolant, puis
lorsqu'elle a atteint au moins localement une fraction solide suffisante, à
arroser le moule
avec un (ou plusieurs) jet d'eau qui dissout instantanément le liant du sable
et provoque
l'effondrement du moule. La pièce en cours de solidification est alors
directement exposée
à l'impact de l'eau qui en extrait les calories très rapidement (de façon
analogue à celle
observée par exemple en coulée continue verticale de billettes d'aluminium).
Ceci conduit
à une solidification très rapide de l'alliage et à l'obtention de structures
fines ayant des
caractéristiques mécaniques élevées, égales ou même supérieures à celles
obtenues en
coulée en coquille avec un moule métallique.
Le moulage par ablation convient particulièrement au moulage des alliages à
criquabilité
élevée. Initialement, il s'agit de moulage sable qui contrarie fort peu le
retrait, et ensuite
après ablation du moule la fin de la solidification s'effectue sans moule
rigide du tout. En
plus d'assurer une vitesse de solidification élevée, le procédé conduit aussi
à des gradients
de température élevés car l'aspersion est généralement progressive, commençant
sur
certaines zones choisies et avançant vers les points de fin de solidification
où il est possible
d'attacher les masselottes. Ceci favorise avantageusement aussi l'utilisation
d'alliages à
CA 02812236 2013-03-21
WO 2011/083209 PCT/FR2010/000812
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faible capacité d'alimentation de la retassure, tel que les alliages aluminium
cuivre, dont
l'alliage selon l'invention.
Aussi, l'invention a également pour objet un procédé pour mouler une pièce à
partir de
l'alliage selon l'invention, notamment un insert ou une culasse, comprenant
les étapes
consistant à:
- fournir un moule formé à partir d'un agrégat et d'un liant hydrosoluble ;
- couler l'alliage dans le moule ;
- projeter de l'eau sur le moule de manière à désagréger le moule et à
refroidir l'insert
ou la culasse pour accélérer la solidification de l'alliage.
La mise en oeuvre de ce procédé permet avantageusement la production en grande
série de
pièces moulées avec l'alliage selon l'invention ayant des propriétés
mécaniques à chaud
bien plus élevées que les alliages aluminium silicium.
Les perspectives d'emploi d'alliages aluminium cuivre à haute résistance à
chaud ne sont
cependant pas restreintes au procédé par ablation : il existe d'autres voies
dont le moulage
au sable classique, éventuellement combiné à des refroidisseurs métalliques,
et le moulage
en Moule métallique coquille, éventuellement avec des modifications de tracé
des pièces
permettant d'accepter les moins bonnes propriétés de fonderie de cette famille
d'alliages.
