CH419621A

CH419621A - Alliage d'aluminium

Info

Publication number: CH419621A
Application number: CH374264A
Authority: CH
Inventors: James Eugene Hanafee
Original assignee: Int Nickel Ltd
Priority date: 1963-03-22
Filing date: 1964-03-23
Publication date: 1966-08-31
Also published as: LU45719A1; NL6403037A; BE645514A; DE1267852B; GB996804A; ES297860A1; AT248129B; FR1397473A; US3297435A

Description


      Alliage    d'aluminium    On connaît des alliages d'aluminium qui con  tiennent du     silicium,    du cuivre et du magnésium.       Dans    ces     alliages,    qui sont     durcissables    par vieillisse  ment et qui sont employés notamment pour le mou  lage de pistons, de blocs de moteur et d'autres orga  nes et composants de moteurs à combustion interne,  le silicium, qui peut être présent on proportion de  5 à     25%,

          sert    à     conférer        de        bonnes        propriétés        de     moulage et à rendre l'alliage     résistant    à l'usure. Le  cuivre et le magnésium, ajoutés chacun en propor  tion d'au plus 1 0/0, renforcent et durcissent les allia  ges. Le nickel est incorporé pour améliorer les pro  priétés à haute température, notamment pour réduire  la dilatation thermique, mais les propriétés de ces  alliages connus ne sont pas aussi bonnes que dési  rable.

   Les tentatives d'améliorer ces propriétés par       un        accroissement        de        la        teneur        en        nickel        jusqu'à    7     %     ont entraîné le sérieux inconvénient de la fragilité à  la température ordinaire. Pour     cette    raison, la teneur  en nickela été pratiquement maintenue à moins de  4 0/0, par suite de la fragilité des alliages plus riches  en nickel.  



  Les alliages en question peuvent contenir d'au  tres éléments et, pratiquement, quelle que soit leur  composition nominale, ils contiennent toujours du  fer. Les alliages d'aluminium sont     couramment    fabri  qués à partir d'alliages intermédiaires, par exemple  aluminium-nickel,     aluminium-silicium    et     aluminium-          cuivre,    car il est     difficile    de fondre ou- de dissoudre  les métaux à haut point de fusion, comme le nickel,  dans un bain d'aluminium. Ces alliages intermédiai  res contiennent fréquemment plus de fer que les ma  tières premières des éléments.

   En outre, la teneur en  fer des     alliages    d'aluminium tend à augmenter pen  dant la     fusion,    par capture de fer des creusets de       fusion    et des barres d'agitation.     En;    général, un    alliage d'aluminium pour le moulage est produit à  partir d'un alliage     intermédiaire    et il est vendu au  fabricant des moulages, qui doit évidemment le  refondre. A chaque     fusion,    la teneur en fer tend à  augmenter.  



  La présence de fer introduit dans les alliages de  l'une ou de toutes les manières indiquées ci-dessus,  n'était pas considérée jusqu'ici comme nuisible, et  d'ailleurs la norme britannique     Bs    1490 prévoit que       l'alliage    d'aluminium     LM-13,    qui contient de 11 à       13        %        de        silicium,        de    2 à 3     %        de        nickel,        de        0,5    à       1,

  3        %        de        cuivre        et        de        0,8    à     1,5        %        de        magnésium,          peut        contenir        jusqu'à        0,8        %        de        fer.     



  L'invention est basée sur la découverte que, pre  mièrement, la cause de la fragilité des     alliages        con-          tenant    4     %        de        nickel        ou        plus        réside        dans        la        pré-          sence        d'aluminures        massifs,    grossiers, et deuxième  ment que ces     aluminures    sont affinés si la teneur en  fer est strictement limitée en fonction des teneurs  en nickel,

   silicium, cuivre et magnésium. L'impor  tance de la teneur en fer pour l'obtention de la duc  tilité n'avait pas été appréciée jusqu'ici, et il semble  avoir été     admis    que des alliages ductiles ne pouvaient  pas être produits avec des teneurs en nickel     supé-          rieures    à     environ    3     1%.     



  La présente invention a pour objet un alliage  d'aluminium qui convient pour la production de  moulages ductiles (soit par moulage     direct    soit par       refusion    et moulage). Cet alliage contient de 5 à       25        %        de        silicium,        de    4 à 9     %        de        nickel,        du        cuivre     et/ou du magnésium chacun en teneur d'au plus  1 0/0,

   la somme des teneurs en cuivre et en     magné-          sium        étant        de        0,2    à 2     %,        et        du        fer        en        pourcentage          inférieur    à       1-0,1(%Ni)-0,02        (%si)+0,05[2        9/o        (Cu+Mg)].         L'alliage peut encore contenir des éléments for  tuits,

   couramment présents dans les     alliages        alumi-          nium-silicium,    par exemple du titane, du bore, du  phosphore, du sodium, du cadmium, de l'indium, de  l'étain, du lithium, du manganèse et du chrome.       L'alliage        peut        supporter        jusqu'à    1     '%        de        titane        sans     que ses propriétés en soient affectées défavorable  ment et en fait une teneur de 0,1 à<B>0,30/0</B> de titane  est avantageuse, car elle contribue à     l'affinage    du  grain.

   Du bore en. teneur d'au plus<B>0,0.5</B> 0/a, de     pré-          férence        d'au        plus        0,01%,        peut        aussi        être        avanta-          geusement    incorporé, car cela paraît contribuer dans  une     certaine    mesure à l'affinage du grain.

   Le     phos-          phore        en        teneur        d'au        plus        0,03%        contribue    à     l'affi-          nage    des particules dures des alliages     hypereutecti-          ques,    et le sodium, ajouté au bain en proportion d'au       plus        0,05,%,

          contribue    à     l'affinage        des        particules     dures des alliages     hypoeutectiques.    Cependant, un  excès de sodium provoque une     sur-modification,    avec  pour conséquence une microstructure grossière.

   La  présence de cadmium, d'indium, d'étain et/ou de  lithium peut être utile, car chacun de ces éléments  améliore les     caractéristiques    de vieillissement des       alliages.        Ainsi,        on        peut        incorporer        au        plus        0,5        %        de          cadmium,        au        plus        0,5'%        d'indium,

          au        plus        0,5        %          d'étain        et        au        plus        1%        de        lithium,        mais        les        teneurs          préférées        sont        d'au        plus.        0,2%        de        cadmium,

          au          plus        0,2%        d'indium,        au        plus        0,21%        d'étain        et        au          plus        0,8        @%        de        lithium.        Un        excès        de        lithium        est        indé-          sirable,

      car il a un effet nuisible sur les, caractéris  tiques de moulage. Le manganèse et le chrome     peu-          vent        être        tolérés        en        proportions        d'au        plus        0,5        %        pour          le        manganèse        et        d'au        plus        0,

  5        %        pour        le        chrome.     Cependant, chacun de ces éléments tend à former  des     aluminures    indésirables, et il est préférable qu'ils  soient absents dans la mesure du possible.  



  Abstraction faite de la présence possible de     ces     éléments fortuits et d'impuretés, le reste de l'alliage  consiste en aluminium.  



  Pour autant que la teneur en fer soit limitée  comme indiqué ci-dessus, l'alliage est sensiblement  exempt     d'aluminures    massifs et grossiers. Il présente  un     certain    degré de ductilité à la température ordi  naire, associé à de bonnes propriétés et caractéristi  ques mécaniques aux températures atteignant 3150 C  ou plus.

   L'alliage a pour avantage de pouvoir conte-         nir        plus        de    4     %        de        nickel        sans        devenir        fragile,        et        en     fait la teneur en nickel est de préférence de 5 à 7 0/0.  Ces proportions de nickel améliorent les propriétés  de     l'alliage    aux hautes températures.

   La teneur en       nickel    ne doit pas dépasser 9 0/0, sans quoi le débit  de coulée de l'alliage en fusion dans le moule dimi  nue et la     température    de coulée est augmentée. En  outre, l'alliage tend à devenir trop fragile.  



  La teneur en silicium est de préférence de 10 à  16 0/0. Le cuivre et le magnésium sont nécessaires  comme d'habitude pour améliorer la résistance mé  canique et la dureté à la température ordinaire et  pour améliorer l'usinabilité. De préférence, la teneur       en        cuivre        est        de        0,5    à 1     %        et        la        teneur        en        magné-          sium        de        0,5    à     1,%.     



  On peut voir que la teneur maximum en fer cor  respond aux teneurs minimum en nickel, en     silicium     et en cuivre plus magnésium, c'est-à-dire 4 0/0, 5 0/0       et        0,2'%,        respectivement,        et        qu'elle        est        d'environ          0,59%.        La        teneur        maximum        en        fer        diminue        d'au-          tant    plus.

   qu'une ou plusieurs des teneurs en nickel,  silicium et cuivre plus magnésium augmente. Lors  qu'on utilise des matières     premières        industrielles    con  tenant du     fer,    il est impossible que les teneurs maxi  mums, en nickel (9 0/0), silicium (25 0/0) et cuivre plus       magnésium        (2        %)        soient        présentes        simultanément,     car il faudrait que la teneur en fer soit inférieure à 0.  



  La formation     d'aluminures    grossiers est favorisée  par les refroidissements lents. aussi bien que le fer,  aussi, lorsqu'on coule les alliages dans des moules  métalliques, il est avantageux de placer une plaque  de refroidissement en aluminium à la base du moule.  



  Les alliages     aluminium-nickel-silicium    sont     trai-          tables        thermiquement,    et les traitements thermiques  avantageux pour l'alliage selon l'invention compren  nent (1) une stabilisation (sur-vieillissement) à 200  3700 C pendant environ 2 à 20 h ; (2) un traitement  thermique de dissolution à 480-5650 C pendant 3 à  20 h suivi de trempe à l'eau et de stabilisation à 200  3700 C pendant 2 à 20 h ; et (3) un traitement de  dissolution et une trempe à l'eau comme sous (2),  suivis d'un traitement de vieillissement à 150-2600 C  pendant 1 à 20 h.  



  On donne ci-dessous des exemples de l'alliage  selon l'invention.  
EMI0002.0188     
  
    <I>Tableau <SEP> 1</I>
<tb>  Composition, <SEP> '% <SEP> en <SEP> poids
<tb>  Alliage <SEP> Silicium <SEP> Nickel <SEP> Fer <SEP> Cuivre <SEP> Magnésium <SEP> Titane <SEP> Aluminium
<tb>  A <SEP> 5,3 <SEP> 4 <SEP> 0,05 <SEP> 0,93 <SEP> 0,7 <SEP> 0,24 <SEP> Complément
<tb>  S <SEP> 5,4 <SEP> 4 <SEP> 0,5 <SEP> 0,93 <SEP> 0,76 <SEP> 0,21 <SEP> Complément
<tb>  C <SEP> 5 <SEP> 8,1 <SEP> 0,04 <SEP> 1 <SEP> 0,96 <SEP> 0,2 <SEP> Complément
<tb>  D <SEP> 11 <SEP> 4,9 <SEP> 0,07 <SEP> 0,95 <SEP> 1 <SEP> 0,24 <SEP> Complément
<tb>  E <SEP> 16,2 <SEP> 5 <SEP> 0,17 <SEP> 1 <SEP> 0,95 <SEP> 0,2 <SEP> Complément
<tb>  F <SEP> 24,4 <SEP> 4 <SEP> 0,1 <SEP> 0,95 <SEP> 0,91 <SEP> 0,25 <SEP> Complément         Les teneurs en fer maximum admissibles de ces  alliages,

       calculées        comme    indiqué     ci-dessus,    et les  teneurs réelles données dans le tableau I, sont les  suivantes  
EMI0003.0004     
  
    <I>Tableau <SEP> 11</I>
<tb>  Alliage <SEP> Teneur <SEP> Teneur
<tb>  maximum <SEP> réelle
<tb>  A <SEP> 0,512 <SEP> 0,05
<tb>  B <SEP> 0,508 <SEP> 0,5
<tb>  C <SEP> 0,092 <SEP> 0,04
<tb>  D <SEP> 0,292 <SEP> 0,07
<tb>  E <SEP> 0,178 <SEP> 0,17
<tb>  F <SEP> <B>0,119</B> <SEP> 0,1       Ces     alliages    ont tous été préparés en fondant de  la barre d'aluminium, des alliages     intermédiaires          aluminium-nickel,        aluminium-cuivre,

          aluminium-sili-          cium    et     aluminium-titane,    et de la gueuse de magné  sium, à l'air dans un four à     induction.    Chaque alliage  a été traité     thermiquement    par chauffage à environ       510o    C pendant environ 8 h, trempe à l'eau, chauf  fage à environ     200c,    C pendant environ 8 h.  



  La     résistance    à la traction     (R.T.),    la limite d'élas  ticité avec 0,1     10/a    d'allongement permanent     (L.    E.),       l'allongement    à la rupture (A) et la dureté Brinell  (D), toujours à la température ordinaire, de ces al-    liages traités     thermiquement    ont été mesurés et les  résultats sont donnés dans le tableau III.

    
EMI0003.0022     
  
    <I>Tableau <SEP> 111</I>
<tb>  Alliage <SEP> <B>RT. <SEP> LE <SEP> A</B> <SEP> (%) <SEP> <B>D</B>
<tb>  <U>(kg/mmE) <SEP> (kg/mmQ)</U>
<tb>  A <SEP> 32,3 <SEP> 28,5 <SEP> 0,7 <SEP> 114
<tb>  B <SEP> 28,8 <SEP> 26,6 <SEP> 0,7 <SEP> 104
<tb>  C <SEP> 34,0 <SEP> 32,0 <SEP> 0,2 <SEP> 128
<tb>  D <SEP> 32,8 <SEP> 31,8 <SEP> 0,1 <SEP> 119
<tb>  E <SEP> 33,6 <SEP> 33,2 <SEP> 0,1 <SEP> 146
<tb>  F <SEP> 22,8 <SEP> 0,1 <SEP> 134       Une cassure par     fragilité    n'a été constatée dans  aucun cas.  



  On voit que la ductilité de l'alliage F est assez  faible, bien que l'alliage n'ait pas présenté de cas  sure par fragilité. Cet alliage n'a pas la composition  préférée en ce qui concerne les teneurs en     silicium     et nickel, et la teneur en fer est pratiquement au       maximum    admissible.  



  En outre, ces alliages ont de bonnes propriétés à  haute température. Les alliages C, D et E ont été       maintenus    à     315,1    C pendant environ 100 h et sou  mis aux épreuves mécaniques à 315  C. Leurs résis  tances à la traction ont été de 7,6 7,65 et 8,3 kg/  
EMI0003.0028     
  
    <I>Tableau <SEP> IV</I>
<tb>  Composition, <SEP> 'o/o <SEP> en <SEP> poids
<tb>  Alliage <SEP> silicium <SEP> Nickel <SEP> Fer <SEP> Cuivre <SEP> Magnésium <SEP> Titane <SEP> Aluminium
<tb>  Z <SEP> 5,3 <SEP> 8,3 <SEP> 0,39 <SEP> 1 <SEP> 1,02 <SEP> 0,21 <SEP> Complément
<tb>  Y <SEP> 10,5 <SEP> 6,8 <SEP> 0,53 <SEP> 1,07 <SEP> 1,06 <SEP> 0,2 <SEP> Complément
<tb>  X <SEP> <B>1</B>6,1 <SEP> 6,9 <SEP> 0,3 <SEP> 0,96 <SEP> 0,94 <SEP> 0,16 <SEP> Complément
<tb>  W <SEP> 19,7 <SEP> 5,7 <SEP> 0,53 <SEP> 0,8 <SEP> 1,

  02 <SEP> 0,15 <SEP> Complément
<tb>  V <SEP> <B>1</B>8,3 <SEP> 6,5 <SEP> 0,13 <SEP> 0,85 <SEP> 0,83 <SEP> 0,18 <SEP> Complément
<tb>  U <SEP> 19,4 <SEP> 6,6 <SEP> 0,57 <SEP> 0,83 <SEP> 0;73 <SEP> 0,19 <SEP> Complément
<tb>  T <SEP> 24,3 <SEP> 4,2 <SEP> 0,5 <SEP> 0,98 <SEP> 0,92 <SEP> 0,2 <SEP> Complément
<tb>  S <SEP> 23 <SEP> 6,2 <SEP> 0,43 <SEP> 0,94 <SEP> 0,98 <SEP> 0,13 <SEP> Complément
<tb>  R <SEP> 5,1 <SEP> <B>1</B>0,1 <SEP> 0,09 <SEP> 0,95 <SEP> 1,11 <SEP> 0,22 <SEP> Complément            mm2,    respectivement, et leurs allongements à la     rup-          ture        de        7,8'%,        10%        et        5,7        %,

          respectivement.     Après 24 h à     315c,    C, les duretés     Rockwell    H à  3150 C ont été de 57, 60 et 67 respectivement.  



  Pour montrer le caractère critique de la teneur  en fer, on donne ci-dessus les compositions de     quel-          ques        alliages        contenant        plus        de        4'%        de        nickel        mais     trop de fer. Tous ces alliages, lorsqu'ils ont été  essayés à la température ordinaire, n'ont présenté  pratiquement aucun allongement à la rupture et se  sont signalés par une cassure par fragilité.  



  Les teneurs en fer maximums admissibles pour  ces alliages, calculées comme indiqué plus haut, et  les teneurs réelles indiquées dans le tableau IV sont  
EMI0003.0051     
  
    <I>Tableau <SEP> V</I>
<tb>  Alliage <SEP> Teneur <SEP> Teneur
<tb>  maximum <SEP> réelle
<tb>  Z <SEP> 0,063 <SEP> 0,39
<tb>  Y <SEP> 0,103 <SEP> 0,53
<tb>  X <SEP> Négative <SEP> 0,3
<tb>  W <SEP> 0,045 <SEP> 0,53
<tb>  V <SEP> Zéro <SEP> 0,13
<tb>  U <SEP> Négative <SEP> 0,57
<tb>  T <SEP> 0,099 <SEP> 0,5
<tb>  S <SEP> Négative <SEP> 0,43
<tb>  R <SEP> Négative <SEP> 0,09         L'indication   Négative       signifie    qu'avec les te  neurs     en    nickel, silicium, cuivre et magnésium de       l'alliage,

      il est impossible de satisfaire la condition       fixée    pour le fer par la     formule.    Les tableaux     IV    et    V montrent à quel point la teneur en nickel     influe        3s     la teneur en fer admissible.  



  L'importance de la teneur en nickel ressort de la  comparaison entre les trois     alliages    ci-après  
EMI0004.0010     
  
    <I>Tableau <SEP> VI</I>
<tb>  Composition, <SEP> '% <SEP> en <SEP> poids
<tb>  Alliage <SEP> Silicium <SEP> Nickel <SEP> Fer <SEP> Cuivre <SEP> Magnésium <SEP> Titane <SEP> Aluminium
<tb>  Q <SEP> 9,8 <SEP> 0 <SEP> 0,04 <SEP> 1 <SEP> 0,86 <SEP> 0,2 <SEP> Complément
<tb>  P <SEP> 16,1 <SEP> 2,6 <SEP> 0,1 <SEP> 0,98 <SEP> 0,8 <SEP> 0,21 <SEP> Complément
<tb>  <B>0</B> <SEP> 9,8 <SEP> 0 <SEP> 0,56 <SEP> 1,02 <SEP> 0,77 <SEP> 0,2 <SEP> Complément            Dans    chacun de ces alliages, la teneur en fer est       suffisamment    basse pour satisfaire la formule.

   Ce  pendant,     l'alliage    Q a présenté une résistance à la  traction de seulement 5,0     kg/mm2    après 100 h à  3150 C et     l'alliage    P une résistance à la traction de  seulement 6,1     kg/mm2    après 100 h à     315o    C. L'al  liage O a     présenté    une dureté     Rockwell    H à     315o    C  de seulement 38     après    24 h à 3150 C.  



  La     différence    entre les     aluminures    massifs et  grossiers qui doivent être évités et la structure affi  née des alliages produits conformément à l'invention  est     visible    dans le dessin annexé, dont chaque figure  est une microphotographie à un grossissement de  100 diamètres. Les constituants foncés (apparaissant  en noir dans le dessin) sont les     aluminures.    Les       constituants        gris,    de     forme    générale polygonale dans  les     fig.    1 et 2, et de forme     d'eutectique    dans la     fig.    3,  sont du silicium.

   Dans chaque cas;     l'alliage    a été       attaqué        avec        de        l'acide        fluorhydrique-    à     0,5'%.        La          fig.    1 montre l'alliage E, qui est un alliage produit  conformément à l'invention. La     fig.    2 montre     l'alliage     X, qui contient trop de fer. La     fig.    3 montre     l'alliage     Y qui, en plus de     contenir    trop de fer, contient trop  de cuivre     et    de magnésium.

   La     microstructure        affi-          née,    obtenue grâce à l'invention, est     clairement    appa  rente.  



       L'alliage    selon l'invention peut être fabriqué à  partir des. matières premières     industrielles,    à condi  tion que les teneurs en     silicium,        nickel,    cuivre et  magnésium soient en corrélation avec la teneur en    fer comme indiqué plus haut.

   Naturellement, si l'al  liage doit être vendu comme alliage de moulage des  tiné à être moulé par l'acquéreur, il y a lieu de veil  ler à éviter une capture de fer pendant la     refusion    et  le moulage, et si un risque d'une telle capture     existe,     la teneur en fer de l'alliage, tel qu'initialement pro  duit, doit être nettement     inférieure    au maximum       admissible.

Claims

REVENDICATIONS I. Alliage d:'aluminium contenant de 4 à 9 % de nickel, de 5 à 25,% de silicium, du cuivre et/ou du magnésium chacun en teneur d'au plus 1 O/o,

la som me des teneurs en cuivre et magnésium étant de 0,2 à 2 1%, et du fer, caractérisé en ce que la teneur en fer est en corrélation avec les teneurs en nickel, sili cium, cuivre et magnésium de manière à être infé- rieure à 1-0,1 (%Ni)-0,

02 ('%Si)+0,05 [2-%(Cu+Mg)]. II. Utilisation de l'alliage selon la revendication I, pour la fabrication d'articles moulés ductiles. SOUS-REVENDICATION Alliage selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il contient de 5 à 7 -% de nickel, de 10 à 16 0/0 de silicium,

de 0,5 à 1 % de cuivre, de 0,5 à 1 % de magnésium et de 0,1 à 0,3 1% de titane: