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.
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.
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.
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.
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.
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.
La résolution du problème conformément à l'invention est atteinte grâce aux caractéristiques de la revendication 1.
Des aspects préférés de l'invention sont exposés dans les sous-revendications 2 à 9.
L'invention propose également une pièce coulée composite telle que définie dans la revendication 10.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
La deuxième couche est de préférence appliquée dans le procédé de revêtement par trempage.
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.