Insert pour pièce coulée composite

Description

[0001] La présente invention concerne un insert fait d'un matériau d'aluminium pour la refonte ou la jonction par la fonte avec une masse fondue d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium pour former une pièce coulée composite avec liaison métallique dans la surface limite composite.

[0002] On entend de manière générale par procédé de coulée composite la production de pièces coulées, composées d'au moins deux matériaux métalliques différents, solidement liés entre eux. On introduit alors classiquement un insert fait de l'un des matériaux dans un moule et on refond ou joint par la fonte la masse fondue de l'autre matériau.

[0003] Alors qu'autrefois la coulée composite servait principalement à la préparation de pièces coulées en aluminium avec des inserts en acier, le procédé est employé depuis peu, grâce à la mise au point de matériaux en aluminium ayant par rapport aux alliages d'aluminium classiques des propriétés mécaniques fortement améliorées, pour la préparation de purs composites en alliage léger. On peut considérer comme matériaux pour les inserts par exemple des alliages difficilement coulables, des phases intermétalliques, des matériaux composites avec matrice en aluminium et composants incorporés métalliques ou non-métalliques, des matériaux compactés par pulvérisation ou frittés et d'autres matériaux dits matériaux spéciaux d'aluminium.

[0004] Une exigence essentielle dans les pièces coulées composites pour éléments à forte sollicitation mécanique est la liaison métallique dans la surface limite composite. Cette liaison métallique ne peut être obtenue que lorsque la couche d'oxyde compacte, toujours présente sur la surface des inserts en matériaux d'aluminium dans les conditions atmosphériques usuelles, est éloignée avant la coulée composite. Pour cela on connaît d'après le brevet CH-318 530 un procédé dans lequel l' insert est muni, après l'élimination de sa couche d' oxyde superficielle,d'une couche protectrice métallique en zinc, cadmium, cuivre, argent, nickel ou chrome, qui est éliminée lors de la coulée composite par contact avec la masse fondue métallique. Dans ce procédé, l'utilisation de l'insert pendant la refonte ou la jonction par la fonte de la masse fondue est fortement améliorée. Etant donné que l'on ne peut obtenir une bonne adhérence de la liaison que quand l'insert fond superficiellement, ce qui fait que l'indéformabilité de l'insert doit être acquise à la température de fusion, ce procédé est limité à des inserts en matériaux spéciaux d'aluminium hautement résistants à la chaleur.

[0005] De plus le brevet d'Allemagne de l'Est DD-141 121 divulgue un procédé conforme au préambule de la revendication 1, dans lequel l'insert est muni d'un revêtement métallique après un fluxage par immersion dans un bain métallique (plomb fondu) qui présente une aptitude élevée à l'allier avec l'alminium. Mais le traitement par fluxage peut, pour des inserts de forme compliquée, laisser subsister des restes de flux et altérer aux points correspondants l'adhérence de la liaison.

[0006] Puisqu'il en est ainsi, l'inventeur s'est fixé comme objectif de préparer un insert du type mentionné au début, avec lequel la température de fusion puisse être maintenue la plus basse possible lors de la coulée composite et l'adhérence de la liaison puisse être encore améliorée.

[0007] La résolution du problème conformément à l'invention est atteinte grâce aux caractéristiques de la revendication 1.

[0008] Des aspects préférés de l'invention sont exposés dans les sous-revendications 2 à 9.

[0009] L'invention propose également une pièce coulée composite telle que définie dans la revendication 10.

[0010] Grâce à l'invention, il devient possible d'employer comme matériau pour inserts toute la palette des matériaux d'aluminium et en même temps d'atteindre dans la pièce coulée composite une adhérence de liaison élevée.

[0011] Avec la première couche on assure à la seconde couche une bonne adhérence avec liaison métallique. La première couche est dans le cas le plus simple réalisée uniformément en un seul métal ou alliage métallique. Il suffit toutefois déjà que seule la couche superficielle de la première couche consiste en un métal ou alliage résistant à l'oxydation. La première couche peut donc également être un système multi-couches dont la couche externe soit formée d'un métal ou alliage métallique résistant à l'oxydation.

[0012] Des métaux appropriés pour la première couche ou la couche superficielle de celle-ci sont Z, Cd, Cr, Cu, ainsi que Ag, Au, Ni en particulier et des alliages de ces éléments. A ce sujet une épaisseur de couche de 0,002 à 20 µm est en général suffisante, tandis que dans la plupart des cas l'épaisseur peut être inférieure à 5 µm et qu'en principe même une épaisseur de couche de quelques rangées d'atomes peut suffire.

[0013] Pour la seconde couche, fondant relativement bas, de la surface de l'insert, il faut veiller à ce que, lors de la coulée composite à la surface limite entre l' insert et la masse de métal fondue, il y ait pendant une durée suffisante une couche liquide qui assure l' adhésion par interdiffusion. Des métaux ou alliages métalliques appropriés ayant une solubilité élevée dans l'aluminium à l'état solide, c'est-à-dire ce qu'on nomme des alliages d'apport de brasage, sont le zinc ou des alliages de zinc du type ZnAl5, ZnMg3 et ZnCu5, tandis que la teneur exacte en élément d'alliage peut varier dans un intervalle relativement large et qu'on peut ainsi ajuster la température de fusion souhaitée. Sont tout particulièrement avantageux les alliages de composition eutectique, dont on sait qu'ils présentent un très faible intervalle de solidification. L'épaisseur de la seconde couche se situe de préférence entre 20 et 300 µm.

[0014] Pour assurer dans la coulée composite une imprégnation optimale de l'insert avec la masse fondue en cours de refonte ou de jonction par la fonte, on peut munir la seconde couche directement d'une troisième couche correspondant à la première couche pour ce qui est du choix du matériau et de l'épaisseur. On peut aussi employer comme troisième couche, au lieu d'un métal stable vis-à-vis de l'oxydation, une couche de fondant ou flux, celle-ci pouvant être appliquée par exemple par trempage dans un flux ou pouvant même se faire par dépôt d'un flux sur la masse de métal fondue directement pendant la coulée composite, à la surface de l'insert. Un flux approprié est par exemple K₂ZrF₆.

[0015] Le matériau d'aluminium de l'insert selon l'invention peut par exemple englober un alliage difficilement coulable, des phases intermétalliques, des matériaux compactés par pulvérisation ou frittés, ainsi que de manière très générale des matériaux composites avec matrice en aluminium, éventuellement renforcée par des particules de céramique, des fibres courtes, des whiskers ou barbes ou des fibres continues, ainsi que des formes hybrides et d'autres matériaux spéciaux d'alunimium.

[0016] Comme procédé d'enduction pour la première couche en métal résistant à l'oxydation, conviennent en particulier des procédés galvaniques dans lesquels la couche d'oxyde de la surface de l'insert est éliminée dans l'électrolyte en même temps que se forme la couche métallique, mais on peut aussi recourir à des extractions de métaux sous vide après élimination préalable de la couche d'oxyde au moyen, par exemple, d'un bombardement ionique.

[0017] En variante, la première couche, ou au moins la couche superficielle de celle-ci, peut être déposée sur la surface de l'insert en immergeant l'insert dans un bain fondu du métal ou de l'alliage résistant à l'oxydation que l'on a choisi et en appliquant simultanément à l'insert des vibrations ultrasoniques. Ces vibrations ont pour effet de libérer par action mécanique la couche d'oxyde présente sur la surface de l'insert et donc d'obtenir une bonne adhérence de la couche superficielle résistant à l'oxydation.

[0018] La deuxième couche est de préférence appliquée dans le procédé de revêtement par trempage.

[0019] Pour préparer une pièce coulée composite, on place d'ordinaire l'insert dans un moule --qui peut aussi être une coquille pour coulée sous pression-- et on refond ou on joint par la fonte avec la masse de métal fondue. Naturellement une pièce coulée composite peut aussi comporter plusieurs inserts.

Revendications

1. Insert en un matériau d'aluminium pour la refonte ou la jonction par la fonte avec une masse fondue d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium pour former une pièce coulée composite avec liaison métallique dans la surface limite composite, au moins la surface exempte d'oxyde de l'insert sur laquelle on refond ou joint par la fonte de la masse fondue présentant une première couche ayant une couche superficielle en un métal ou alliage métallique résistant à l'oxydation et une seconde couche appliquée directement sur cette première couche, insert caractérisé en ce que la seconde couche est réalisée en un métal ou alliage métallique ayant une solubilité élevée dans l'aluminium à l'état solide et une température de fusion comprise entre 350 et 500°C.

2. Insert selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche présente une épaisseur de 0,002 à 20 µm.

3. Insert selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins la couche superficielle de la première couche est composée de Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd ou des alliages de ces éléments.

4. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde couche présente une épaisseur de 20 à 300 µm.

5. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde couche consiste en du zinc ou un alliage de zinc du type ZnAl5, ZnMg3 ou ZnCu5.

6. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde couche est munie directement d'une troisième couche ayant une couche superficielle consistant en un métal ou alliage résistant à l'oxydation.

7. Insert selon la revendication 6, caractérisé en ce que la troisième couche a une épaisseur de 0,002 à 20 µm.

8. Insert selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'au moins la couche superficielle de la troisième couche est composée de Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd ou des alliages de ces éléments.

9. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde couche est munie directement d'une troisième couche en un flux, par exemple K₂ZrF₆.

10. Pièce coulée composite ayant au moins un insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'(les) insert(s) est(sont) refondu(s) ou joint(s) par la fonte avec de l'aluminium ou un alliage d'aluminium.

Claims

1. An insert of aluminum material for recasting or joining by melting with a molten mass of aluminum or of aluminum alloy to form a composite casting with metallic bonding in the composite boundary surface, at least the oxide-free surface of the insert on which the molten mass is recast or joined by melting presenting a first layer that has a surface layer of a metal or metal alloy that withstands oxidation and a second layer applied directly on said first layer, which insert is characterized in that the second layer is made of a metal or metal alloy that has high solubility in aluminum in the solid state and a melting temperature lying in the range 350°C to 500°C.

2. An insert according to claim 1, characterized in that the thickness of the first layer lies in the range 0.002 µm to 20 µm.

3. An insert according to claim 1 or 2, characterized in that at least the surface layer of the first layer is made of Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd, or alloys of said elements.

4. An insert according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the second layer is 20 µm to 300 µm thick.

5. An insert according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the second layer consists in zinc or a zinc alloy of the ZnAl₅, ZnMg₃, or ZnCu₅ type.

6. An insert according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the second layer is directly provided with a third layer having a surface layer consisting in a metal or alloy that withstands oxidation.

7. An insert according to claim 6, characterized in that the thickness of the third layer lies in the range 0.002 µm to 20 µm.

8. An insert according to claim 6 or 7, characterized in that at least the surface layer of the third layer is made of Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd, or alloys of said elements.

9. An insert according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the second layer is directly provided with a third layer of flux, e.g. K₂ZrF₆.

10. A composite casting having at least one insert according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the insert(s) is/are recast or joined by melting with aluminum or an aluminum alloy.

Ansprüche

1. Eingießteil aus einem Aluminiumwerkstoff für die Umschmelze oder Verbindung durch Gießen mit einer geschmolzenen Masse aus Aluminium oder Aluminiumlegierung, um ein gegossenes Verbundteil mit einer metallischen Verbindung in der Randfläche des Verbundteils herzustellen, wobei mindestens die oxidfreie Oberfläche des Eingießteils, auf der die geschmolzene Masse umgeschmolzen oder durch Vergießen der geschmolzenen Masse verbunden wird, eine erste Schicht mit einer oberflächlichen Schicht aus einem oxidationsbeständigen Metall oder einer oxidationsbeständigen Legierung aufweist, sowie eine zweite Schicht enthält, welche direkt auf diese erste Schicht aufgetragen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Schicht aus einem Metall oder einer Metallegierung hergestellt wird, welche eine hohe Löslichkeit in Aluminium im festen Zustand und eine Schmelztemperatur zwischen 350 und 500°C aufweist.

2. Eingießteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Schicht eine Dicke zwischen 0,002 bis 20 µm hat.

3. Eingießteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens die oberflächliche Schicht der ersten Schicht aus Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd oder aus Legierungen dieser Elemente besteht.

4. Eingießteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Schicht eine Dicke von 20 bis 300 µm hat.

5. Eingießteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Schicht aus Zink oder einer Zinklegierung vom Typ ZnAl5, ZnMg3 oder ZnCu5 besteht.

6. Eingießteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Schicht direkt mit einer dritten Schicht versehen wird, welche aus einer oberflächlichen Schicht aus einem oxidationsbeständigen Metall oder einer oxidationsbeständigen Legierung besteht.

7. Eingießteil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die dritte Schicht eine Dicke von 0,002 bis 20 µm hat.

8. Eingießteil nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens die oberflächliche Schicht der dritten Schicht aus Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd oder aus Legierungen dieser Elemente besteht.

9. Eingießteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Schicht direkt auf die dritte Schicht mittels eines Flußmittels aufgetragen wird, welches zum Beispiel aus K₂ZrF₆ besteht.

10. Verbundteil, welches mindestens ein Eingießteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
dieses Eingießteil oder diese Eingießteile umgeschmolzen oder mittels Vergießen mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verbunden werden.