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Alliages d'aluminium et leurs applications.
Alors que l'aluminium pur et la plupart des alliages d'aluminium utilisés dans l'industrie tendent à poisser au cours de l'usinage au moyen d'outils enlevant des copeaux, on sait depuis longtemps que cela n'est pas le cas pour les al- liages d'aluminium et de magnésium contenant au moins envi- ron 3 % de magnésium, et cela d'autant poins que la teneur de l'alliage en magnésium est plus grande. C'est pourquoi l'on peut utiliser, pour l'usinage de ces alliages, des vi- tesses de coupes qui dépassent de beaucoup celles qui sont généralement usitées pour les alliages d'aluminium.
On a constaté toutefois que les copeaux qui se produisent au cours /
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de l'usinage atteignent des longueurs extrêmement grandes et, par exemple dans la fabrication en grande série de pièces fa- çonnées, sur les machines automatiques, les tours à. révolver et:machines d'usinage analogues à grande vitesse, provoquent des perturbations dans le fonctionnement. De là découle di- rectement le problème de pouvoir agir sur les propriétés de formation de copeaux des alliages d'aluminium et de magnésium qui se prêtent en soi à cette formation, de telle façon que, sans préjudice pour sa facilité de formation, le copeau se dé- sagrège de lui-même en morceaux plus petits pouvant être enle- vés sans difficulté et éliminés de la zone de travail.
Or, on a trouvé, conformément à la présente invention, que l'on peut obtenir le résultat désiré en ajoutant, en quan- tutés d'environ I à 5 %, aux alliages d'aluminium et de magné- sium, des constituants d'alliages formant avec l'aluminium des combinaisons intercristallines dures et cassantes, pratique- ment insolubles dans les alliages à l'état solide. Des cons- tituants d'alliages appropriés de ce genre sont, par exemple, le manganèse, le chrome, le fer, le titane, le vanadium, le tungstène, le cobalt, le nickel et agents analogues. La quanti- té de l'addition indispensable pour obtenir l'effet désiré varie suivant la teneur en magnésium de l'alliage et l'état de sa texture.
Pour les alliages contenant plus d'environ 7 % de magnésium, une addition d'environ I % des métaux cités est déjà suffisante, tandis que pour des alliages ne contenant que de 3 à 7 % de magnésium, l'addition doit atteindre environ 3 à 4 % pour produire un plein effet. De même, lorsqu'il s'agit de pièces coulées, une addition plus faible que pour des structu- res faites à la presse, forgées ou déformées plastiquement de toute autre façon, est suffisante.
Enfin, il faut tenir comp- te, dans le calcul de l'addition, du fait que le composé d'a- luminium et de magnésium qui, dans certaines conditions, in- tervient comme élément hétérogène de la texture dans les allia- ges du type défini précédemment, provoque déjà en soi, bien qu'
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à un degré qui n'est pratiquement pas encore utilisable, un raccourcissement de la longueur du copeau: plus les proportions de ce composé qui existent comme élément hétérogène dans l'alliage à usiner sont grandes, plus sont petites les quantités d'addition qui suffisent déjà pour obtenir, suivant l'invention, le raccourcissement cherché de la longueur du copeau.
On constate parfois qu'il convient d'ajouter simultanément plusieurs des matières citées, sans modifier la quantité totale de l'addition. On obtient ainsi une répartition plus fine et plus uniforme des cristaux primaires cassants noyés dans la masse de fond, ce qui exerce encore une action favorable sur la formation des copeaux. On a constante, en particulier, que les combinaisons dans lesquelles le titane est également contenu en quantités allant jusqu'à environ 0,4 % conviennent bien, car ce métal possède en soi l'action spécifique la plus intense dans le sens de l'invention. Toutefois, si l'on ne veut utiliser que du titane seul pour l'addition, l'addition à l'alliage de la quantité d'environ 0,8 à I % qui est alors nécessaire apparait comme étant difficile à cause de la forte tendance de l'aluminure de titane à la ségrégation.
Une addition de silicium, qui provoque également, en soi, la formation de cristaux primaires cassants de siliciure de ma- gnésium, s'est montrée moins appropriée, car, si les copeaux qui se forment au cours de l'usinage de ces alliages sont également courts, la surface de coupe n'est pas nette, à moins d'utiliser des outils particuliers ou d'avoir recours à d'autres opérations.
Voici quelques exemples d'alliages appropriés pour l'application de l'invention:
1) 9,5 % de Mg.
3,0 % de Mn, le reste Al.
2) 9, 5 % de Mg.
1,5 % de V, le reste Al.
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3) 9,5 % de Mg.
1,75 % de Mn.
0,2 % de Ti, le reste Al.
4) 5,5 % de Mg.
1,2 % de ]En.
1,3% de Cr.
0,2 % de Ti, le reste Al.
5) 5,5 % de Mg.
2,2% de Or.,, le reste Al.
Dans quelques-uns des alliages du type mentionné ci-dessus, en particulier dans ceux qui contiennent comme additions du manganèse,du chrome, du fer, utilisés individuellement ou plusieurs ensemble, il se forme facilement, au cours de la solidification, des cristaux relativement grands des aluminures correspondants, ce qui a pour conséquence que lors de l'usinage ultérieur ces gros cristaux sont arrachés et extraits de la structure par l'acier de l'outil, de sorte que la surface obtenue par l'usinage est rugueuse.
Or, on a constaté qu'un traitement thermique au-dessus de 3000 0, de préférence entre 3500 C et la température eutectique dans chaque cas envisagé, a pour effet que les cristaux primaires constitués par des aluminures durs et intermétalliques entrent en conversation avec les cristaux mixtes d'aluminium et de magnésium qui les entourent, ou avec les composés d'alumi- nium et de magnésium qui se sont séparés au cours de la solidification, ce phénomène étant encore accompagné de son côté d'une désagrégation des grands cristaux primaires en un amas de cristaux plus petits. Ainsi est supprimé le risque de production d'une surface rugueuse au cours de l'usinage des alliages au moyen d'outils enlevant des copeaux.
Il est apparu en outre, dans bien des cas, qu'il est avantageux de procéder, avant ou après le traitement de recuit @
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à effectuer au-dessus de 300 C et aboutissant à la désagré- gation des cristaux primaires, à un aure traitement thermique provoquant une séparation d'éléments qui se trouvent en solution solide sursaturée dans la masse de base des alliages, A cet effet, on soumet l'alliage de façon connue à un traitement de recuit à des températures qui sont inférieures à la ligne de séparation des phases solides, résultant du diagram- me de l'état des alliages d'aluminium et de magnésium, mais quj d'autre part sont assez élevées (200 C au moins)
pour que l'on obtienne une hétérogénéisation poussée des cristaux mixtes sursaturés par suite de la séparation du composé Al3Mg2.
On sait que l'on obtient le même résultat en conduisant convenablement le refroidissement de l'alliage au sortir du bain de fusion. La présence du ségrégat qui se produit sous une forme finement divisée favorise la désagrégation des grands cristaux primaires d'aluminures séparés en un amas de petits cristaux. Les deux traitements thermiques peuvent être ef- feotués immédiatement l'un après l'autre et le cas échéant combinés entre eux.
Si un alliage soumis au traitement décrit ci-dessus et dans lequel par conséquent les cristaux primaires d'aluminures sont déjà désagrégés, est déformé plastiquement, cette opération donne naissance à une large répartition des cristaux de désagrégation provenant des aluminures primaires, de sorte que, lorsque la déformation est terminée, de nombreux petits cristaux d'aluminures sont répartis plus ou moins uniformément dans la structure de l'alliage. Lorsque de tels alliages sont usinés au moyen d'outils enlevant des copeaux, les surfaces usinées sont parfaitement lisses.
Grâce au fait que les cristaux qui favorisent la formation des copeaux sont mieux répartis dans la texture par le traitement thermique décrit, il est possible de réduire sensiblement la quantité des métaux ajoutés en vue de provoquer la formation de composés durs et intermétalliques,des addi-
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tions d'au moins 0,5 jusqu'à 3 % au maximum étant suffisantes.
On obtient ainsi des avantages importants, non seulement pendant la fusion, mais encore pendant l'ensemble de l'usinage ultérieur..
Les alliages peuvent aussi contenir, pour assurer également en partie un effet favorable sur les résultats du traitement thermique décrit, du zinc, du silicium et du cuivre, qui sont absorbés par la masse de base sous forme de solution solide, mais qui le cas échéant peuvent aussi se séparer de la masse de base sous forme de composés binaires avec le magnésium ou bien de composés d'une valence supérieure.
Exemples I) 9,0 % de Mg, 1,5 % de Cr, le reste Al.
L'alliage obtenu par refroidissement à partir du bain de fusion est soumis à un recuit à 400-450 C, puis passé à. la presse. La texture présente alors de nombreux petits cristaux uniformément répartis dans toute la masse de base.
2) On obtient une texture analogue en soumettant un alliage contenant 9,5 % de Mg, 0,6 % de Cr, 0,2 % de Mn, le reste étant Al, après solidification et refroidissement de la coulée, à un recuit à 270-300 C pendant 10 heures et immédiatement après à 400-420 C pendant 5 heures et en passant à la presse. Pour pousser encore plus loin la désagrégation des cristaux primaires, on procède encore une fois, après le passage à la presse, à une hétérogénéisation à 300 C pendant une heure 3) 10,05 de Mg 0, 2 % de Ti, 0,35 % de Cr, 0,5 % de Si, le reste Al.
Un traitement thermique de la coulée suivant les exemples ! ou 2 donne une structure analogue se prêtant bien à l'usinage au moyen d'outils enlevant des copeaux.
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Aluminum alloys and their applications.
While pure aluminum and most aluminum alloys used in industry tend to stick up during machining with chip removal tools, it has long been known that this is not the case with the aluminum and magnesium alloys containing at least about 3% of magnesium, and this increases as the magnesium content of the alloy is greater. This is why it is possible to use, for the machining of these alloys, cutting speeds which greatly exceed those which are generally used for aluminum alloys.
However, it has been found that the chips which occur during /
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machining reach extremely long lengths and, for example in the mass production of shaped parts, on automatic machines, lathes. revolver and: similar high speed machining machines, cause disturbances in operation. From this arises directly the problem of being able to act on the chip-forming properties of aluminum and magnesium alloys which in themselves lend themselves to this formation, in such a way that, without prejudice to its ease of formation, the chip disintegrates on its own into smaller pieces that can be easily removed and removed from the work area.
However, it has been found, in accordance with the present invention, that the desired result can be obtained by adding, in amounts of about 1 to 5%, to the aluminum and magnesium alloys, constituents of Alloys which form with aluminum hard and brittle intercrystalline combinations which are practically insoluble in alloys in the solid state. Suitable alloying constituents of this kind are, for example, manganese, chromium, iron, titanium, vanadium, tungsten, cobalt, nickel and the like. The amount of the addition essential to obtain the desired effect will vary depending on the magnesium content of the alloy and the state of its texture.
For alloys containing more than about 7% magnesium an addition of about 1% of the metals mentioned is already sufficient, while for alloys containing only 3 to 7% magnesium the addition should reach about 3 at 4% to produce full effect. Likewise, when it comes to castings, a smaller addition than for press-made, forged or plastically deformed structures in any other way is sufficient.
Finally, it is necessary to take into account, in the calculation of the addition, the fact that the compound of alumium and magnesium which, under certain conditions, intervenes as a heterogeneous element of the texture in the alloys of the type defined above, already causes in itself, although
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to a degree which is practically not yet usable, a shortening of the chip length: the greater the proportions of this compound which exist as a heterogeneous element in the alloy to be machined, the smaller the quantities of addition which are sufficient already to obtain, according to the invention, the desired shortening of the length of the chip.
It is sometimes found that it is appropriate to add several of the materials mentioned simultaneously, without modifying the total amount of the addition. A finer and more uniform distribution of the brittle primary crystals embedded in the base mass is thus obtained, which further exerts a favorable action on the formation of chips. It has been constant, in particular, that the combinations in which titanium is also contained in amounts of up to about 0.4% are suitable, since this metal possesses in itself the most intense specific action in the direction of invention. However, if one wants to use only titanium alone for the addition, adding to the alloy the amount of about 0.8 to 1% which is then necessary appears to be difficult because of the high tendency of titanium aluminide to segregate.
An addition of silicon, which in itself also causes the formation of brittle primary crystals of magnesium silicide, has been shown to be less suitable, since, if the chips which form during the machining of these alloys are Also short, the cutting surface is not clean, unless special tools are used or other operations are required.
Here are some examples of alloys suitable for the application of the invention:
1) 9.5% Mg.
3.0% Mn, the remainder Al.
2) 9.5% Mg.
1.5% V, the rest Al.
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3) 9.5% Mg.
1.75% Mn.
0.2% Ti, the remainder Al.
4) 5.5% Mg.
1.2% of] In.
1.3% Cr.
0.2% Ti, the remainder Al.
5) 5.5% Mg.
2.2% of Or. ,, the remainder Al.
In some of the alloys of the type mentioned above, in particular in those which contain as additions manganese, chromium, iron, used individually or several together, crystals relatively easily form during solidification. large corresponding aluminides, which has the consequence that during the subsequent machining these large crystals are torn and extracted from the structure by the steel of the tool, so that the surface obtained by the machining is rough.
However, it has been observed that a heat treatment above 3000 0, preferably between 3500 C and the eutectic temperature in each case considered, has the effect that the primary crystals formed by hard and intermetallic aluminides enter into conversation with the mixed crystals of aluminum and magnesium which surround them, or with the compounds of aluminum and magnesium which separated during solidification, this phenomenon being further accompanied by a disintegration of the large primary crystals into a cluster of smaller crystals. This eliminates the risk of producing a rough surface during the machining of alloys by means of chip removing tools.
It has also appeared, in many cases, that it is advantageous to proceed, before or after the annealing treatment.
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to be carried out above 300 ° C. and resulting in the disaggregation of the primary crystals, in a further heat treatment causing a separation of elements which are in a supersaturated solid solution in the base mass of the alloys. subjects the alloy in known manner to an annealing treatment at temperatures which are below the solid phase separation line, resulting from the diagram of the state of aluminum and magnesium alloys, but which else share are quite high (200 C at least)
so that one obtains a thorough heterogenization of the supersaturated mixed crystals following the separation of the compound Al3Mg2.
It is known that the same result is obtained by suitably cooling the alloy on leaving the molten bath. The presence of the segregate which occurs in a finely divided form promotes the disintegration of the large primary crystals of aluminides separated into a cluster of small crystals. The two heat treatments can be carried out immediately one after the other and if necessary combined with each other.
If an alloy subjected to the treatment described above and in which therefore the primary aluminide crystals are already disintegrated, is plastically deformed, this operation gives rise to a wide distribution of the disintegrating crystals from the primary aluminides, so that, when the deformation is complete, many small crystals of aluminides are distributed more or less uniformly in the structure of the alloy. When such alloys are machined using chip removing tools, the machined surfaces are perfectly smooth.
By virtue of the fact that the crystals which promote the formation of chips are better distributed in the texture by the heat treatment described, it is possible to significantly reduce the amount of metals added in order to cause the formation of hard and intermetallic compounds, additives.
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ratios of at least 0.5 to a maximum of 3% being sufficient.
Significant advantages are thus obtained, not only during the melting, but also during the whole of the subsequent machining.
The alloys may also contain, in order to ensure also in part a favorable effect on the results of the heat treatment described, zinc, silicon and copper, which are absorbed by the basic mass in the form of a solid solution, but which if necessary can also separate from the basic mass in the form of binary compounds with magnesium or of compounds of a higher valence.
Examples I) 9.0% Mg, 1.5% Cr, the remainder Al.
The alloy obtained by cooling from the molten bath is subjected to annealing at 400-450 C, then passed to. the press. The texture then presents many small crystals uniformly distributed throughout the base mass.
2) A similar texture is obtained by subjecting an alloy containing 9.5% of Mg, 0.6% of Cr, 0.2% of Mn, the remainder being Al, after solidification and cooling of the casting, to annealing at 270-300 C for 10 hours and immediately thereafter at 400-420 C for 5 hours and pressing. To push the disintegration of the primary crystals even further, one proceeds once again, after passing through the press, to heterogenization at 300 ° C. for one hour 3) 10.05 of Mg 0.2% of Ti, 0.35 % Cr, 0.5% Si, the remainder Al.
Heat treatment of the casting according to the examples! or 2 gives an analogous structure suitable for machining by means of chip removing tools.