Alliage à base d'aluminium et procédé pour sa fabrication. La. présente invention comprend un al liage à base d'aluminium et un procédé pour sa fabrication.
Cet alliage à base d'aluminium, présente la particularité qu'il ne renferme puas moins de 3,5 % de cuivre, est privé de magnésium, travaillé mécaniquement, trempé et vieilli à une température supérieure à 100 C; l'al liage pouvant avantageusement renfermer en core soit du manganèse, soit du silicium, soit les deux éléments à la fois.
Suivant le procédé pour fabriquer un alliage usiné de ce genre, on forme un alliage à base d'aluminium qui ne renferme pas moins de 3,5 % de cuivre et est privé de magnésium, le soumet à un travail mécani que et à un trempage et on lui fait subir ensuite un vieillissement, par un second trai tement thermique, à une température supé rieure à 100 C.
On connaît des alliages à base d'alumi nium comprenant des éléments constitutifs variés dans des proportions différentes, et certains de ces alliages ont été utilisés indus- triellement depuis un certain temps. Il est également bien connu dans le métier -de trem per certains de ces alliages à partir de tem pératures déterminées et de ales "vieillir" soit naturellement, soit artificiellement, c'est-à- ,dire soit à la température .ambiante, soit à une température plus élevée, dans le but d'a méliorer leurs propriétés physiques.
Par exemple, une composition type d'un tel al liage du commerce à base d'aluminium com prend 4 % .de cuivre, 0,5 % de magnésium et 0,5 % de manganèse, le reste étant de l'alu minium du commerce, comprenant de faibles proportions de différents éléments comme im puretés. Lorsqu'il est trempé conformément à la pratique habituelle, cet alliage possède une résistance ou charge de rupture à la trac tion d'environ 2.800 à 3.150 kg/cm', et un allongement de 20 % et au delà pour une barre d'essai de 5 cm de long.
Après avoir été trempé, l'alliage vieillit graduellement à des températures ambiantes ordinaires jusqu'à ce que, après quatre jours, sa résistance ou charge de rupture à la traction peut être de 3.850 à. 4.200 kg/cm2, particulièrement en feuilles minces. Son allongement n'est habi tuellement pas notablement affecté, mais peut être soit accru. soit diminué. Cependant, sa. plasticité ou facilité d'usinage est diminuée par le vieillissement.
La présente invention est basée sur la découverte qu'un alliage à base d'aluminium, exempt de magnésium et ne comprenant pas moins de 3,5 % d.e cuivre, travaillé mécanique ment et trempé, ne vieillira que peu ou pas du tout à la température normale ou à tem pérature ambiante, mais que, lorsqu'il est soumis à. un vieillissement artificiel, sa ré sistance et sa dureté seront accrues suivant le degré de vieillissement.
En d'autres termes, les inventeurs ont découvert qu'en supprimant le magnésium comme élément constitutif es- s#,ntieI dans les alliages à base d'aluminium ne comprenant pas moins de 3,5 % de cuivre, on obtient un alliage qui, trempé et soumis à un vieillissement artificiel, présente des propriétés physiques avantageuses au point de vue de sa, résistance de rupture et de sa dureté.
Dans la réalisation de l'invention en pra tique, le cuivre peut constituer seul l'élément d'alliage, ou d'autres éléments tels que le manganèse, le chrome, le silicium et le zinc peuvent être ajoutés. Le choix d'une compo sition particulière est déterminé en grande partie par l'usage auquel sont destinés les < articles faits à partir de .cet alliage. Si l'on désire obtenir un alliage se laissant facile ment usiner, possédant des propriétés physi ques raisonnables, la, teneur en cuivre doit être clans le voisinage d'environ 3,5 à 4.5%.
Si l'on veut obtenir une résistance et une dureté élevées, il est désirable d'avoir une teneur élevée en cuivre, allant, dans certains cas, jusqu'à 5 %, :et également d'avoir du manga nèse et du chrome en faible quantité, de pré férence ne dépassant pas 1 % environ, ainsi que du silicium en quantité ne dépassant pas 1<B>%</B> environ.
Dans un tel. alliage, les pro priétés physiques sont obtenues quelque peu aux dépens -des propriétés .de facilité d'usi nage, en particulier pour le débitage des lin- Bots, comme il sera. expliqué ci-après. La teneur en cuivre de l'alliage peut être supé rieure à 5 /a, bien qu'il soit très difficile de laminer ou de forger des alliages contenant plus que cette proportion de îruivre.
La, température de trempe de l'alliage peut varier suivant la quantité et la. nature des éléments constitutifs présents dans l'alliage. Dans tous les cas, cependant, les meilleurs résultats sont obtenus lorsque l'alliage a. été trempé à partir -de la température à laquelle une quantité aussi grande que possible du cuivre et des autres éléments d'alliage est passée en solution dans l'aluminium.
A. titre d'exemple, si la teneur en cuivre est -d'environ 4,5 % ou davantage, la tempéra ture de trempe ne doit pas dépasser environ 540' C, pour obtenir les meilleurs résultats. Plus la teneur cri cuivre est faible.. plus éle vée est la température admissible à partir de laquelle l'alliage peut être trempé sans dom mage, et plus basse est la température à la quelle les propriétés physiques maxima ou presque maxima peuvent finalement être ob tenues.
Par exemple, un alliage contenant 3,5 % de cuivre peut être trempé en touïe sécurité à partir d'une température d'environ 590 C, mais, on peut, par le vieillissement artificiel, donner à. un tel alliage des proprié tés physiques presque maxima, en opérant le trempage en partant d'une température supé rieure à<B>500'</B> C.
Dans son état trempé, l'al liage est relativement doux et se laisse facile ment usiner, et ses propriétés physiques res tent inchangées, ou sensiblement inchangées, pendant une période tle temps indéterminée, ce .qui est un avantage important lorsqu'on désire faire passer l'alliage à. la presse, l'es tamper ou l'emboutir ou le conformer ou le façonner d'une autre manière .à un moment ultérieur, contrairement aux alliages à. vieil lissement naturel, qui doivent être usinés, si même ils peuvent l'être, immédiatement après la, trempe.
En faisant varier la. durée et la tempéra ture du vieillissement, on peut produire dif férentes combinaisons des propriétés de résis tance et de dureté, comprises entre celles du métal à l'état trempé et les propriétés les plus élevées pouvant être obtenues par un vieillissement convenable.
Cependant, on pro duit de préférence, le vieillissement des .al liages à,des températures icomprises entre 100 et 175 C. Lorsqu'on ne désire pas soumettre l'alliage à un travail à froid, après trempe, il peut être trempé à la température désirée du vieillissement .artificiel, plutôt -qu'à la tem pérature .ambiante.
Lorsqu'un alliage est sou mis au vieillissement à des températures plus élevées, par exemple à 200' C environ, le premier effet produit est le durcissement, la dureté .étant quelque peu inférieure à .celle produite par le vieillissement à 150 C. Un vieillissement prolongé à 200' C ne donne pas d'aussi bons résultats bien que des ,alliages utiles puissent être produits lorsqu'ils sont soumis à une température de 200'<B>C,</B> si durée du vieillissement n'est pas trop longue.
L'accroissement de dureté est d'autant plus rapide que la température du vieillissement est plus élevée, bien que le maximum de dureté ou de résistance -pouvant être obtenu par un vieillissement à 200' C ne soit pas aussi grand que le maximum de dureté ou de résistance pouvant être obtenu à<B>150'</B> C.
L'invention ainsi brièvement décrite peut être expliquée davantage et complètement comprise par référence à quelques exemples des alliages -qui ont été produits et essayés par les inventeurs. En référence d'abord à des alliages à base d'aluminium contenant du cuivre seul, les autres éléments constitutifs n'existant que comme impuretés, un alliage travaillé mécaniquement, contenant 3,7 % de cuivre, trempé à partir d'une température de 530 C, possédait une résistance de rupture à la. traction de 2957,5 kg/em\ et un allonge ment de 24 % sur 5 cm.
Soumis au vieillisse ment pendant environ vingt-quatre heures à 1.50 C, il possédait une résistance de rup- ture à la, traction de 8521. kg/cm" et un al longem-ent de 22 % sur 5 cm. Une partie de cet .alliage, soumise au vieillissement pendant quarante heures à 100 C, possédait une résistance de rupture à la traetion de 3507 kg/em\ et un allongement de 25 % sur 5 cm.
L'amélioration des propriétés physi ques, obtenue en augmentant la teneur en cuivre, est montrée par l'exemple suivant: un alliage contenant 4,06 % de cuivre, trempé à partir de 530 C, après avoir été chauffé à nette température pendant une heure et avoir été ensuite soumis au vieillissement pen dant vingt-quatre heures à une température de 150 C, possédait une résistance de rup ture à la traction de 3871 kg/cm\ et un al longement -de 25 % sur 5 -cm.
De même, un alliage contenant 4,86 /a de cuivre, trempé à partir d'une température de 530' C, à la quelle il a été maintenu pendant une demi- heure et soumis au vieillissement à<B>150'</B> C pendant seize- heures, possédait une résis tance .de rupture à la traction de 4179 k-g/em2 et un allongement de 18,5 % sur 5 cm. Ce dernier alliage, soumis au vieillissement pen dant quarante heures à 100 C, possédait une résistance .de rupture à la. traction de 3990 kg/om\ et un allongement de 25 sur 5 cm.
Des alliages contenant 4,5% de cuivre et de 0,5 à 1% environ de manganèse peuvent être choisis comme exemples d'alliages contenant du manganèse en plus du cuivre. Après avoir forgé ou avoir autrement travaillé à .chaud ces alliages et les avoir trempés à. partir d'une température de 530 C environ, maintenue pendant une demi-heure, ces alliages possé daient des résistances de rupture à la traction allant de 2.800 à 3.059 kg/cm\ et des allon gements de 20 à 25 % sur 5 cm.
Comme dans le cas -d'alliages -contenant du cuivre, seul, les propriétés physiques des alliages con tenant en outre du manganèse ne changent pas à un degré perceptible quelconque par vieillissement de ces alliages à la tempéra ture .ambiante, même pendant des mois. LOrS- clu'on les soumet à une température comprise entre 100 et 130 C, leurs résistances aug mentent d'une manière notable et leurs allon gements peuvent augmenter ou diminuer ou rester pratiquement invariables.
Un alliage forgé, possédant une résistance de rupture à la traction de 3850 kg/cm\ et un allongement de 25 % sur 5 -cm, peut facilement être ob- tenu en soumettant un alliage du genre décrit au vieillissement pendant une durée de vingt- quatre à quarante-huit heures, à une tem pérature légèrement inférieure à<B>130' C, la</B> dureté étant également accrue.
Si l'alliage trempé est soumis au vieillissement à une température comprise entre<B>130</B> et<B>175'</B> C en viron, pendant une période -de quinze à vingt- quatre heures environ, la charge ou résistance de rupture à la traction peut être d'environ 4200 kg/cnm", l'allongement de 18 % sur 5 cm. et la dureté Brinell d'environ 120.
Comme exemple de la stabilité de ,ce type d'alliage .après la trempe, il a été constaté par les inventeurs que des barreaux d'essai forgés .d'un alliage contenant 4,68 % de cui vre et 0,68 % de chrome possélaient une résistance de rupture à la traction de 3.150 kg/cm' et un allongement de 24 % sur 5 cm, immédiatement .après la trempe, tandis que .d'autres barreaux, provenant du même lingot du même alliage, soumis à l'essai après vieillissement d'un an à la température am biante, possédaient une résistance de rupture à la traction de 3290 kg/cm\ et un allonge ment de 26 % sur 5 @cm. D'autres barreaux encore,
provenant du même lingot du même alliage, après vieillissement artificiel à<B>150'</B> C, possédaient une résistance de rupture à la traction variant entre 3.850 et 4.130 kg/em2 et un .allongement de 20 % sur 5 cm.
Les propriétés physiques de l'alliage ob tenu suivant l'invention peuvent encore être améliorées .par :l'addition de silicium en pro portion plus grande que celle habituellement constatée comme impureté dans les lingots d'aluminium du commerce de bonne qualité. La teneur en silicium peut être accrue jus qu'à environ 0,5 % à 1 %. Un alliage con tenant une telle proportion de silicium pos sède une résistance de rupture à la traction accrue, .aussi bien après trempe et après vieil lissement artificiel, et est relativement duc tile, en particulier lorsqu'il est soumis au vieillissement à une température allant de 100 à 175 o C.
Il a. été constaté que, sous forme de feuilles laminées, cet :alliage possède une résistance de rupture à la traction supé rieure à 4550 l@g/em\ et un allongement supé rieur à 20 ,ô sur 5 cm, après avoir été trempé à partir d'une température supérieure à <B>500'</B> C et avoir été soumis au vieillissement à<B>125</B> C environ, pendant quarante-huit heures.
Comme exemple spécifique d'alliage con- tenant du cuivre, du manganèse et du sili cium, un a.lli.age contenant 3,5 % de cuivre, 0,93 % de manganèse et 0,6 % de silicium, après avoir été trempé à. partir d'une tem- pérature de<B>530'</B> C, possédait une résistance de rupture à la traction de 3017 hg/=2 et un allongement de 21 t sur 5 cm.
Lorsqu'il est soumis à. un vieillissement artificiel à.<B>150'</B> C pendant vingt-deux heures, l'alliage possède une résistance clé rupture à la traction de 4060 kg/cm\ et un allongement de 20 ô par 5 cm.
L'alliage à employer de préférence, c'est-.à-dire l'alliage capable de recevoir les meilleures propriétés physiques, est celui con tenant environ 4,5 .ô de cuivre, 0,75 ô manganèse et 0,75 ô de silicium, trempé à partir d'une température de 500 à 540' C environ, en le soumettant au vieillissement à une température de 100 à<B>175</B> o C environ.
Il a. été constaté qu'un alliage contenant 3,95 % de -cuivre, 1,22 % de fer et 0,31 @ de silicium (le silicium existant dans cette pro portion comme conséquence naturelle de la fabrication de l'aluminium et ne provenant pas d'une addition intentionnelle) possède une résistance de rupture à la traction de 2.212 lig/cm\ et un allongement de 20,5 % sur 5 cm, après qu'il a été trempé et soumis au vieillissement artificiel. Il apparaît clone. que la proportion relativement grande de fer existant dans l'alliage diminue la résistance maxima pouvant être obtenue.
Le même fait a, été constaté exact pour le calcium en l'absence de magnésium. Par exemple, un alliage contenant 3,98 Xo de cui vre, 0,54 % de calcium et 0,29 % de silicium, a montré, après trempage et vieillissement ar tificiel, une résistance de rupture à la trac tion de 2247 l@olcm2 avec un allongement de 20 % sur 5<B>cm.</B> Cependant, il a été constaté par les inventeurs que les effets nuisibles du fer peuvent être en grande partie, sinon en tièrement éliminés par l'addition de sili cium. La teneur en silicium doit être au ,moins égale, et de préférence supérieure, à la.
teneur en fer, et le silicium. peut exister en une proportion allant jusqu'à 5 % environ sans nuire sérieusement aux bonnes proprié tés physiques de l'alliage. Cependant les pro priétés de facilité d'usinage froid d'un alliage possédant une teneur aussi élevée en silicium ne sont pas aussi bannes que celles d'un al liage possédant entre 0,5 % et 1 % environ de silicium.
L'addition de chrome à l'alliage con tenant plus de 3,5 % de cuivre environ et exempt de magnésium est avantageuse. Par exemple, il a -été constaté qu'un alliage, sous forme de feuilles laminées de 3 mm d'épaisseur environ, contenant 4,72 % de cuivre et 0,68 % de chrome, possédait une résistance .de rupture à da traction de 4487 kg/cm= et un allongement de 20 % sur 5 cm, après avoir été trempé à partir d'une température de 530 C et avoir été soumis au vieillissement pendant vingt-deux heures à 150 o C.
De faibles quantités de zinc, allant, par exemple, jusqu'à 5 %, peuvent exister dans l'alliage sans altérer sensiblement sa nature, bien que, par suite de certains inconvénients de l'introduction intentionnelle de zinc, il soit préférable de ne pas ajouter celui-ci; cependant, il est à remarquer que le zinc peut exister dans l'alliage et que l'invention n'est pas limitée à des alliages exempts de ce métal.
Dans un alliage obtenu comme décrit plus haut, la résistance -de rupture et la dureté peuvent être réglées en réglant la durée et la température du vieillissement, de sorte qu'on peut communiquer aux articles faits à partir de ces alliages un degré -quelconque de résistance de rupture et -de dureté compris entre celui obtenu immédiatement après trempe et le degré de résistance et de dureté maxima obtenu par le vieillissement le plus effectif.
Il est fréquemment nécessaire, dans la fabrication de certains articles d'alliages à base d'aluminium, traités mécaniquement, de les amener à une forme déterminée en les façonnant à la température ambiante, par exemple par comprewsion, estampage, embou tissage etc. Avec les alliages actuels du com merce, il est généralement nécessaire -d'effet tuer -ce travail mécanique dans quelques heures et quelquefois en une heure après qu'ils ont été trempés, parce que leur vieil lissement à la température ambiante peut ré duire leur plasticité à un degré tel que des procédés de façonnage à froid peuvent .au trement ne plus être possibles.
Dans la pré paration de l'alliage suivant l'invention, les opérations de façonnage peuvent être réali sées à un moment quelconque après que les alliages ont été trempés, les articles étant en suite soumis au vieillissement à un moment ultérieur quelconque pour accroître leur dureté et leur résistance.
Dans ce qui précède, l'alliage suivant l'invention est spécifié et déterminé comme étant exempt de magnésium. Cette expres sion est destinée à -signifier que l'alliage ne contient pas de magnésium ajouté intention nellement. L'alliage peut contenir des tra ces de magnésium telles qu'elles ne produisent aucun ou pratiquement aucun vieillissement naturel de l'alliage. Par exemple, si on uti lise involontairement des déchets contenant du magnésium dans la préparation -de l'al liage, des traces de magnésium existeront dans le produit final.
Cependant, l'emploi de cette ,matière .doit être évité, si l'on désire empêcher complètement ou pratiquement un vieillissement naturel de l'alliage.