Procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié obtenu à partir de poudres refroidies à très grande vitesse de refroidissement

Description

[0001] L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié dont la composition en poids est comprise dans les fourchettes suivantes :
Fe 0,5 à 5 % Zn 0 à 0,5% Ni 0,5 à 5 % Ti 0 à 0,3 % P 0 à 1 % Si 19 à 30 % Mo 0,5 à 2 % Pb 0 à 0,2 % Co 0,5 à 5 % Cu 0,5 à 3 % Mn 0,2 à 1% Sn 0 à 0,5 % Mg 0 à 1,5 %
Les différents additifs intervenant dans cette composition exerçent les fonctions suivantes et pourraient être remplacés par d'autres agissant de manière équivalente.

[0002] Le Si durcit, réduit le coefficient de dilatation, augmente la résistance à l'usure et améliore le frottement, renforce la structure et relève le module élastique.
Zn, Cu, Mg, Fe sont des durcisseurs.
Co, Ti, Mo, W, Va, B, Ta, Ca, P sont des affinants.
C, Sn améliorent le frottement.

[0003] L'alliage ainsi défini présente une faible densité, un faible coefficient de dilatation et de bonnes caractéristiques mécaniques. Il trouve des applications dans les pièces chaudes et en mouvement des moteurs automobiles telle que pistons, chemises, bielles, axes de pistons, insert de culasse etc...

[0004] On sait que l'eutectique de l'alliage Al - Si se situe aux environs de 12 % de silicium et que le surplus de silicium cristallise en général pendant la solidification et le refroidissement, sous forme de cristaux de silicium très durs qui sont d'autant plus gros que la vitesse de refroidissement est plus faible.

[0005] Les cristaux de silicium quand ils sont trop gros présentent des inconvénients évidents pour l'usinabilité, l'homogénéité et les caractéristiques mécaniques des pièces.

[0006] Le procédé qui fait l'objet de l'invention permet de réaliser des pièces en alliage d'aluminium hypersilicié comportant des cristaux de silicium de taille inférieure à 1 µ soit 1 millième de millimètre ou du silicium à l'état de solution solide.

[0007] On connait des procédés de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié utilisant les techniques de la métallurgie des poudres. Ces techniques consistent à transformer les lingots d'alliage en poudre par centrifugation et atomisation. Les grains de poudre dont les dimensions sont de l'ordre de 500 µ refroidissent plus vite que les lingots de telle sorte que les cristaux de silicium ont des dimensions allant de 5 à 25 µ . Lorsque les poudres sont forgées ou filées à chaud les grains grossissent dans un rapport 2 et atteignent 10 à 50 µ .

[0008] Le procédé qui fait l'objet de l'invention définit d'une part des moyens pour obtenir une poudre dont les dimensions des grains varient de 0 à 120 µ avec des cristaux de silicium inférieurs à 1 µ ou de silicium en solution solide ; et d'autre part des moyens pour extruder des pièces à partir de cette poudre sans grossir les cristaux de silicium.

[0009] Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes.

[0010] On fait fondre l'alliage et on le porte à une température plus élevée que la température de fusion d'environ 80 à 180° C de manière à obtenir une viscosité appropriée. On forme à partir du liquide un jet qui traverse une buse calibrée. Le jet est ensuite pris en compte par une tuyère supersonique où il est soumis à des zones d'accélération et des zones de dépression provoquées par des jets de gaz inertes sous hautes pression.

[0011] Les particules métalliques sont sur-refroidies par contact avec un gaz sous haute pression ou un solide . La vitesse de refroidissement varie entre 10⁶ et 10⁸ ^° C/s. On obtient ainsi une poudre dont les dimensions de grains varient de 0 à 50 µ ou de 0 à 120 µ selon les paramètres.

[0012] La poudre obtenue selon le procédé décrit ci-dessus avec une vitesse de refroidissement supérieure à 10⁶ ^° C/s comporte des grains de silicium de moins de 1 µ ou de silicium à l'état de solution solide.

[0013] La production de poudre s'effectue dans une enceinte hermétique à double parois afin d'éviter l'oxydation.

[0014] La poudre ainsi obtenue est recueillie dans un récipient en aluminium ou alliage à paroi très fine sand précompression, sous vide.

[0015] On procède ensuite à l'extrusion dans une filière en chauffant exclusivement l'outil à une température au plus égale à 350°C. La poudre avec son pot sont engagés conjointement dans la filière et extrudés en tubes ou en barres. Le pot qui est en aluminium pur ou en alliage réalisé par le même procédé n'introduit pas de perturbation dans la composition de l'alliage et surtout n'introduit pas de grains de silicium de dimension supérieure à 1 µ . La dimension du pot est choisie pour un coefficient de réduction dans la filière compris entre 10 et 20 préférentiellement pour un coefficient de réduction de 13.

[0016] On peut citer à titre d'exemple les caractéristiques mécaniques et physiques obtenues pour un alliage à l'état brut de filage à la température ambiante.
composition Al : 72 % Si : 22 % Cu : 1,5 % Ni : 1,5 % Co : 1 % Mg : 0,35% Fe : 0,35% Mn : 0,45% autres 0,85%
Dureté Vickers (HV : 5kg) 130
Résistance à la traction (Rm) 450 M Pa
Limite élastique (Re) 400 M Pa
Module élastique (E) 82000 M Pa
Allongement à la rupture (A %) 2
Fatigue en flexion rotative (σc à 10⁸ cycles) 180 MPa
Coefficient de dilatation entre 20 et 300° C ≦αµρ¨ 17,5x10⁻⁶ m/m/°k
résilience : 8 Joules/cm2

Revendications

1 - Procédé de fabrication de pièces en alliage d'aluminium hypersilicié de composition :
Si : 19 à 30 %      Fe : 0,3 à 5 %
Cu : 0,5 à 3 %      Mo : 0,5 à 2 %
Ni : 0,5 à 3 %      Mn : 0,2 à 1 %
Co : 0,5 à 5 %      Mg : 0 à 1,5 %
additionnés ou non d'éléments durcissants et/ou affinants jusqu'à 1 % chacun tels que B, C, Cb, Ce, Li, P, Pb, Sn, Ta, Ti, Va, W, Zn comportant :
- une opération d'atomisation pour transformer les lingots en poudre après fusion et écoulement du jet liquide à travers une buse calibrée ;
- une opération de récupération des poudres ;
- une opération d'extrusion à travers une filière,
caractérisé en ce que l'atomisation par écoulement du jet liquide à travers la buse calibrée comporte une opération d'accélération des particules par jet de gaz inerte et une opération de refroidissement à la vitesse de 10⁶ à 10⁸ °C/seconde par un contact forcé, particule/solide ou particule/gaz, sous haute pression.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la récupération comporte une opération de conditionnement des poudres sous vide, sans précompression en pots à parois fines, l'aluminium ou d'alliage.

3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les poudres sont extrudées dans une filière dont seul l'outil est préchauffé à une température au plus égale à 350 °C, la poudre restant à température ambiante.

4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pots de conditionnement sont dimensionnés pour une réduction par la filière comprise entre 10 et 20.