Pièce mécanique en poudre d'alliage d'aluminium et procédé d'obtention

Abstract

 Pièce mécanique en poudre d'alliage d'aluminium préalliée caractérisée par la présence d'une matrice homogène d'alliage d'aluminium à très fine structure dont la taille des grains est du même ordre de grandeur que celle des grains de poudre initiaux, et dont les interfaces sont marqués par un très fin réseau de précipités, ladite pièce ayant une densité égale à 100 % de la densité théorique, sans porosité résiduelle et sans précipitation grossière.
Application principale : toutes pièces mécaniques obtenues par la métallurgie des poudres.

Description

[0001] La présente invention se rapporte à un procédé d'obtention de pièces mécaniques réalisées à partir de poudres d'alliage d'aluminium et subissant une opération de forgeage.

[0002] Les alliages d'aluminium présentent un intérêt en pièces mécaniques pour leur faible densité, leur meilleure usinabilité, leur meilleure conductivité thermique ; par rapport aux techniques usuelles de forge et de fonderie, la métallurgie des poudres est susceptible d'apporter une réduction des pertes de matière entre la pièce brute_fet la pièce finie (réduction de la mise au mille de matière) et une diminution des frais d'usinage.

[0003] Plusieurs voies sont possibles pour passer de la poudre à la pièce mécanique ; la plus simple jusqu'à maintenant consiste à utiliser les alliages sous forme de poudre d'aluminium mélangée à des poudres des éléments d'alliages par exemple cuivre, magnésium, silicium, zinc ; ce procédé impose une étape de frittage, c'est-à-dire un traitement à chaud qui donne sa cohésion à la pièce comprimée à froid.

[0004] Le traitement est nécessaire car les particules d'aluminium sont recouvertes d'un film d'alumine d'environ 0,1 à 0,01 µm adhérent, stable et difficilement réductible, donc inhibiteur de diffusion, et qui rend impossible le frittage en phase solide à l'air en four industriel ; le frittage a pour rôle de former une phase liquide à partir des éléments métalliques ; ainsi dans le cas des alliages de la famille 2 000 (famille des alliages aluminium cuivre), la phase liquide eutectique se forme vers 550 °C ; le liquide mouille et dissout le film d'alumine, pénètre dans les fissures formées lors de la compression de la poudre et diffuse dans les particules métalliques ; ce procédé impose une température précise de traitement à + 3 °C près, les alliages ainsi obtenus ont une densité de 90 à 96 % de la densité théorique, avec des porosités et une hétérogénéité de la struc_- ture. Les propriétés mécaniques obtenues pour un alliage 2014 d'après les fabricants de poudres sont les suivantes

- Résistance à la rupture R = 330 M Pa

- limite élastique à 0,2 % R_E 0,2 = 320 ^{M P}a

- Allongement en % A % = 2 %

- limite d'endurance 55 M Pa

pour l'état traité T6 (trempe à l'eau à 500 °C et revenu pendant 20 heures à 160°C).

[0005] L'atmosphère de frittage est un important paramètre du procédé, Messieurs AMATO, CORSO et SGAMBETTERRA ont montré que le frittage dans l'azote pur était meilleur que dans l'air ; le frittage sous vide n'améliore pas les résultats par rapport à l'azote (revue "POWER METALLURGY" n° 3 de 1976 page 171).

[0006] Ce procédé présente ainsi l'inconvénient d'obtenir une pièce mécanique avec des caractéristiques peu élevées et une densité finale faible. De plus ce procédé nécessite un traitement thermique avec un réglage de température extrêmement précis.

[0007] Une amélioration importante des caractéristiques passe par la suppression des porosités ; ceci peut être obtenu par forgeage à chaud des comprimés. Messieurs K.E. BUCHOVECKY et M.R. REARICK ont utilisé la gamme suivante : compression à froid de poudres mélangées, frittage avec azote, forgeage à différents taux de corroyage (ouvrage "FORGING OF POWDER METALLURGY PREFORM" de HAUSNER - 1973 éditeur M. P. I. F.). Les résultats sont alors très améliorés et pour un taux de corroyage moyen on atteint des résistances de 460 M Pa avec 4 % d'allongement. Ce procédé présente l'inconvénient de nécessiter encore un traitement thermique avec un réglage de température extrêmement précis.

[0008] Un autre procédé consiste à partir d'une poudre préalliée, c'est-à-dire dans laquelle chaque grain de poudre est homogène en composition de l'alliage ; la pellicule d'alumine subsiste alors et ne peut être éliminée puisqu'il n'est plus possible de fritter en présence d'une phase liquide ; on est alors obligé de procéder à un encapsulage de la poudre avant le forgeage, puis ensuite d'éliminer la capsule ; un fort corroyage brise les films d'alumine et permet aux grains de poudre de se souder ; il est alors possible d'atteindre des propriétés voisines de celle du métal laminé et forgé ; cette technique reste relativement complexe, coûteuse et applicable seulement en petite série.

[0009] Le procédé selon l'invention a pour but d'obtenir des pièces mécaniques de caractéristiques élevées, par une voie simple et peu coûteuse, susceptible de fabrication en grande série.

[0010] Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé d'obtention de pièces mécaniques est réalisé à partir de poudres d'alliage d'aluminium. Ledit procédé comprend les étapes ci-après :

- utilisation d'une poudre préalliée ;

- compactage à froid d'une ébauche de forme simple ;

- pesée de l'ébauche automatique afin de contrôler que le poids de l'ébauche est à + 0,5 % ;

- mise en température de ladite ébauche en atmosphère d'azote pur ;

- forgeage en température en matrice fermée.

[0011] Selon un mode de réalisation de l'invention, la pièce mécanique en poudre d'alliage d'aluminium préalliée est caractérisée par la présence d'une matrice homogène d'alliage d'aluminium à très fine structure dont la taille des grains est du même ordre de grandeur que celle des grains de poudre initiaux, et dont les interfaces sont marqués par un très fin réseau de précipités, ladite pièce ayant une densité égale à 100 % de la densité théorique, sans porosité résiduelle, et sans précipitation grossière.

[0012] Le procédé selon l'invention présente ainsi l'avantage d'obtenir des pièces mécaniques avec des caractéristiques élevées et une densité correcte. De plus, le procédé mis en oeuvre selon l'invention offre l'avantage supplémentaire d'être peu coûteux et applicable pour la fabrication en très grande série.

[0013] La structure la plus homogène est obtenue avec une poudre préalliée ; elle a aussi pour avantage par rapport aux poudres mélangées d'éviter le mélangeage et de limiter la manipulation de poudres à l'addition éventuelle d'un lubrifiant de compactage. L'opération suivante, le compactage à froid, est effectué sur presse industrielle pour obtenir une ébauche de densité modérée 2,0 à 2,5 de forme simple, donc de réalisation économique la masse de poudre doit être précise à moins de 1 % près (c'est-à-dire à + 0,5 % du poids correct de l'ébauche), la pesée de l'ébauche est effectuée automatiquement sur une balance en sortie de presse.

[0014] La mise à température de l'ébauche est effectuée dans un four en atmosphère neutre (par exemple azote pur) à point de rosée < - 30 °C ; la température de forgeage est comprise entre 470 et 500 °C (pour un alliage 2214); elle n'a pas besoin d'être précise.

[0015] L'ébauche est enfin sortie rapidement du four et forgée dans un délai inférieur à une dizaine de secondes en matrice fermée, sans bavure épaisse, ce qui est rendu possible par la précision de poids de l'ébauche ; cette absence de bavures est un avantage du procédé, car elles constituent une perte de métal et leur formation impose une pression de forgeage élevée sollicitant fortement la presse et constitue un facteur d'usure important de l'outillage. La densification finale à 100 % sans porosité s'effectue en même temps que l'écoulement à l'état solide du métal dans l'empreinte ; par ailleurs, on a mesuré une résistance à la déformation des lopins forgés par le procédé de l'invention à partir de poudre, inférieure à celle des lopins forgés à partir de métal laminé.

[0016] Le produit obtenu est à 100 % de la densité théorique sans porosité résiduelle. Il est caractérisé par une structure à matrice homogène très fine dont la taille des grains est du même ordre de grandeur que celle des grains de poudre initiaux, dans laquelle subsiste un fin réseau de précipités intergranulaires.

[0017] Cette structure est présentée sur la reproduction microgrâphique au grossissement 500 de la figure 1. Cette figure 1 concerne une pièce obtenue avec une poudre préalliée 2214 (AU 4 S G), forgée à 500 °C et suivie d'un traitement T6 (trempe à l'eau à 500 °C et revenu pendant 20 heures à 160 °C). Le réseau inter- granulaire est très fin et apparent.

[0018] Les caractéristiques mécaniques des produits obtenus pour un taux de corroyage faible sont élevées (voir tableau ci-après) et on atteint même des tenues en fatigue en flexion rotative de 160 M Pa pour 10⁸ cycles à là température ambiante.

[0019] Caractéristiques mécaniques de produit obtenues selon le procédé de l'invention pour l'alliage A U 4 S G :

[0020] Les traitements thermiques T4 et T6 consistent :

- pour T4 : trempe à l'eau à 500 °C et maturation pendant 4 jours ;

- pour T6 : trempe à l'eau à 500 °C et revenu. pendant 20 heures à 160 °C.

[0021] Une caractéristique de la rupture d'une éprouvette de traction représentée sur la figure 3 est l'absence de striction ; la diminution de section étant répartie sur toute la longueur de l'éprouvette (traits en pointillés de l'éprouvette), contrairement à une éprouvette de traction classique représentée sur la figure 2 avec une striction. Ce phénomène inattendu caractérise le produit obtenu selon le procédé de l'invention.

Revendications

1. Procédé d'obtention de pièces mécaniques réalisées à partir de poudres d'alliage d'aluminium, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes ci-après :

- utilisation d'une poudre préalliée ;

- compactage à froid d'une ébauche de forme simple ;

- pesée de l'ébauche automatique afin de contrôler que le poids de l'ébauche est à + 0,5 % ;

- mise en température de ladite ébauche en atmosphère d'azote pur ;

- forgeage en température en matrice fermée.

2. Pièce mécanique en poudre d'alliage d'aluminium préalliée obtenue par le procédé de la revendication 1, caractérisée par la présence d'une matrice homogène d'alliage d'aluminium à très fine structure dont la taille des grains est du même ordre de grandeur que celle des grains de poudre initiaux, et dont les interfaces sont marqués par un très fin réseau de précipités, ladite pièce ayant une densité égale à 100 % de la densité théorique, sans porosité résiduelle, et sans précipitation grossière.

Dessins