Pièce coulée en coquille en alliage aluminium-siliciuin et procédé pour sa fabrication. La présente invention comprend une pièce voulée en coquille en alliage aluminiuni-sili- cium et un procédé pour sa fabrication.
La pièce coulée en coquille en alliage <B>î</B> -silicium suivant l'invention se aluminium.
distingue par une grande subdivision du sili- eium en petites particules uniformément dis- tribuèes affectant favorablement la résis tance à la traetion et la ductilité.
Suivant le procédé, on prépare un alliage aluminium-silicium en fusion, on le coule dans un moule en coquille et on<B>y</B> fait soli difier rapidement cet alliage, de manière<B>à</B> obliger le silicium<B>à</B> prendre la forme de pe- fites particules pour affecter favorablement la résistance<B>à</B> la traction et la ductilité de l'alliage.
<B>Il</B> est eonnu que la coulée d'un alliage d'aluminium dans un moule en coquille pro duit un grain fin et des propriétés physiques quelque peu meilleures; il a été découvert par ks inventeurs que, dans le cas d'alliages aluminium-silicium, ce procédé de coulée, au lieu de produire -uniquement une réduction générale dans les dimeDsions du grain, et de donner lieu ainsi aux avantages auxquels on devrait s'attendre par suite d'une telle altéra tion dans la structure, produit réellement un changement- fondamental dans la nature de la structure de l'alliage, et non pas une simple réduction dans les dimensionsde la.
totalité des grains, comme, il<B>y</B> avait lieu de s'y attendre d'après ce qui est connu jusqu'ici dans l'état de la question. En général, le refroidisse ment rapide d'un alliage d'aluminium a pour tendance de produire une structure à grai <B>-</B> n fin, composée d'éléments constitutifs essen- iiellement analogues<B>à</B> ceux qu'on trouve da-w l'alliage soumis<B>à</B> un refroidissement lent, mais en particules plus petites. Dans le cas d'alliages aluminium-silicium, au contraire, ce refroidissement rapide a pour effet de pro duire une grande subdivision du silicium en petites particules uniformément distribuées.
en changeant non seulement les dimensions relatives des particules constitutives de sili- ci-um et d'aluminium, mais aussi leurs quan- tités relatives. Ce changement et les effets qui en résultent seront décrits ci-après.
Lorsqu'on coule de l'aluminium commer- eialeinent- pur d'une manière telle qu'il se refroidisse approximativern ont<B>ù.</B> la même vi tesse que dans un moule en sable ordinaire, <B>il</B> possède une bonne ductilité, mais une Te-- #;
istance <B>à,</B> la traction plutôt faible. Ainsil (les barres d'essai ou éprouvettes cylindri ques, d'une longueur de<B>50</B> nim et d'un dia mètre de<B>12,5</B> mm, présentent une résistance à la, fraction d'environ 840 lçg par cin2 et un allongement d'environ<B>25 %.</B> Avec l'addition de silicium<B>à,</B> l'aluminium, la résistance (le la, barre-éprouvette <B>à</B> la traetion augmente jus- qu à un degré dépendant (le la quantité de silicium ajoutée, mais la,
ductilité, est en même temps considérablement diminuée. Par exem ple, des barres-éprouvettes, coulées dans le sable, d'un alliage de<B>90 %</B> d'aluminium et <B>10</B> '/o de silicium approximativement- présen- tout une résistance îâ. la traction #5environ 1400 h-g par cm' et une faculté d'allongement d'environ<B>3 %</B> seulement. Sous<B>le</B> microscope, le silicium apparaît sous la forme de plaques ou aiguilles relativement grandes, qui affai- Missent le métal et produisent sa, fragilité.
D'autre part, il a été -constaté par les in venteurs que, en général, si l'alliage est coulé dans des conditions qui provoquent une soli dification rapide du métal, la. structure gra nulaire :de Palliage est rendue beaucoup plus fine, avec un accroissement simultané dans les propriétés désirables de résistance<B>a,</B> la traction et de ductilité. La, méthode la, plus avantageuse pour produire une solidification rapide consiste<B>à</B> couler l'alliage<B>.</B> dans un moule en coquille, c'est-à-dire un moule pos sédant des parois susceptibles d'assurer -une élimination rapide de<B>la</B> chaleur<B>à,</B> partir du métal en fusion. Ces moules sont habituelle ment faits en métal ferreux, en fer ou en acier.
Tis sont appelés habituellement moules per- inaiients ou coquilles et sont employés pour <B>le</B> moulage par pesanteur aussi bien que pour le moulage sous pression.
lia grande élimi nation de chaleur quon constate 'habituelle- ment dans le moulage sous pression en eo- C quille rend cette méthode en général particu lièrement avantageuse pour le procédé sui vant la, présente invention.<B>Il</B> a<B>été</B> consJaJ-#, que des barres-éprouvettes d'un diamètre de <B>12,5</B> mm, coulées dans un moule en fer com portant des parois d'une épaisseur moyenne d'environ<B>30</B> mm, se sont complètement soli difiées en<B>15 à</B> 20 secondes, la tenipérature de l'alliage en fusion étant d'environ<B>760' C,</B> au moment<B>de</B> la, coulée.
Des barres-éprou- vettes, présentant les mêmes dimensions, cou lées<B>à</B> la même température dans un moule en sable, ont exi 'gé plus de<B>100</B> secondes pour passer de l'état liquide<B>à</B> l'état complètement solide. Les barres-éprouvettes utilisées pour obtenir les résultats indiqués ci-dessus étaient fabriquées dans ]es -conditions décrites ci- dessus.
La quantité<B>de</B> silicium dans l'alliage peut être modifiée considérablement-, mais ne doit pas, en général, êt.re inférieure<B>à 3</B> '/o en- villoni ni superieure à<B>15</B> '/o environ. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des alliages possédant -une faible teneur en fer, de préférence. ne dépassant pas<B>0,6</B> %, mais les avantages résultant de la présente inven tion peuvent être obtenus jusqu'à -un degré sensible dans des pièces coulées sous pression avec une teneur beaucoup plus élevée en fer.
Des barres-éprouvettes, contenant environ <B>13 %</B> de silicium, et moins de<B>0,6 %</B> de fer, coulées dans un moule en coquille du type -décrit -ci-dessus, ont montré une résistance à la traction allant jusqu'à<B>2170</B> lzg par em2 et une faculté d'allongement allant jusqu'à <B>9 %</B> pour une longueur de<B>50</B> mm,<B>ce</B> qui re présente un accroissement de plus de<B>50 '/'0</B> dans la résistance<B>à</B> la traction, et d'environ <B>300</B> % dans la duûtilW#, par rapport Ù, (les barres-éprouvettes, coulées sans refroidisse ment rapide, présentant les mêmes dimensions et la.
même eomposifion.
L'alliage eutectique d'aluminiiim-silici-Lim possède une composition d'environ<B>11</B> à 12 0,'- de silicium et le reste d'aluminium. Lors- ,qu'ils sont solidifiés par refroidissement loni, les alliages contenant moins de<B>11 à</B> 12 'Xo de silicium comprennent une partie eutectiqup et de l'aluminium en excès, tandis que les alliages contenant plus de<B>11 à</B> 12 '/o de sili cium comprennent une partie eutectique et du silicium en excès,
et ceux contenant<B>Il à</B> 12 '/o <B>de</B> silicium sont composés presque en tièrement d'eutectique.
Il a<B>été</B> observé par les inventeurs que la solidification rapide change de manière ap parente la composition -de l'alliage eutectique, la teneur en silicium étant d'autant plus grande, du moins jusqu'à un certain degré, que la vitesse de solidification est plus ra pide. Par exemple, un alliage contenant en viron<B>13 %</B> de silicium consiste, lorsqu'jl est solidifié lentement, par exemple par moulage dans du sable, en eutectique et en particules de silicium en excès.
Il a été constaté que le même alliage, coulée dans un moule en fer avec des parois relativement épaisses consiste en eutectique, plus des dendrites d'aluminium en excès. lia, nature physique, c'est-à-dire la disposition et les dimensions des particules de l'eutectique, dans le dernier cas est gran dement modifiée par suite du refroidissement rapide; la composition chimique de l'eutec- tique a apparemment également été modifiée.
Dans un alliage contenant moins que la quan- fité eutectique de silicium, le refroidissement rapide produi <B>*</B> t une plus grande quantité d'a luminium en excès et une quantité plus fai ble d'eutectique qu'on n'en obtient avec un refroidissement lent. Avec une teneur plus élevée en silicium, par exemple<B>15 %</B> ou da vantage,<B>le</B> silicium en excès peut même se séparer dans les pièces coulées avec refroidis- spment rapide, bien que<B>la</B> quantité séparée ne soit en général pas aussi grande que lors d'un refroidissement lent.
Cette tendance de la composition eutectique <B>à</B> être modifiée par i ille. solidification rapide peut produire, dans (les alliages<B>à</B> haute teneur en silicium, du silicium en excès ou en outre, ce qui est très singulier, des dendrites d'aluminium.
Dans un alliage contenant, par exemple, environ<B>1.0 %</B> (le silicium, la différence entre la structure microscopique produite par une coulée avec refroidissement brusque et celle produite par une coulée ordinaire dans du sable, semble consister non seulement dans un changement dans la disposition et les di mensions relatives des éléments constitutifs silicium et aluminium, mais aussi dans leurs quantités relatives. Si un tel alliage est re froidi lentement, l'examen microscopique montre qu'il présente des aiguilles ou pla ques assez grandes de silicium (donnant lieu <B>à</B> la fragilité mentionnée ci-dessus), ineorpo- rées dans une masse fondamentale qui est probablement de l'aluminium, contenant une faible quantité<B>de</B> silicium dissous.
Le même alliage, soumis<B>à</B> un refroidissement rapide, présente un aspect tout<B>à</B> fait différent. Les plaques ou aiguilles relativement grandes<B>de</B> silicium out disparu et il<B>y</B> a prédominance dans le champ de cristaux dendritiques rela tivement grands, qui paraissent être de l'alu minium, contenant- probablement une quau- tité très faible de silicium dissous. La masse fondamentale est formée d'un mélange intime et<B>à</B> grain extrêmement fin -de particules très pctites de silicium et d'aluminium.
Les ira- vaux effectués par les inventeurs indiquent que beaucoup, au moins, de ces particules très petites de silicium tendent vers la forme globulaire, plutôt que vers la forme <U>ouille</U> ou de plaque. Il<B>y</B> a lieu de supposer que cette différence de structure est liée ît <B>la</B> vitesse relativement faible de cristallisation du silicium inétalloïdique, comparativement <B>à</B> celle -de l'aluminium métallique, et que le refroidissement rapide intensifie les effets de cette différence dans la vitesse de cristalli sation.
Cette différence de' structure donne, dans le cas d'une coulée avec refroidissement rapide, une matière composée de dendrites ductiles dans une masse fondamentale<B>à</B> grain très fin, sans aucune des grandes par ticules de silicium dur el; fragile, qui carac térisent les alliages<B>à</B> haute teneur en sili cium qui se sont solidifiés lentement.<B>Sous</B> la forme de plaques ou aiguilles relativement grandes, le silicium lie communique pas<B>ii.</B> l'alliage les meilleures propriétés dont il est susceptible.
L'invention n'est pas limitée à l'emploi d'alliages aluminium.-silicium composés d'alu- lainium. et de silicium seulement. Par exclu- ple, on peut ajouter des métaux qui sont ca pables de former des solutions solides dans l#aluminium. Ainsi, on<B>a</B> observé que, dans beaucoup de cas, une teneur en cuivre allant jusqu'à,<B>à</B> Vo, de préférence de<B>3 à</B> 4 %, exerce une action avantageuse sur des alliages d'a- Iiiininium contenant -du silicium,
particulière ment si la teneur en silicium est de<B>3 à 6</B> %, de préférence<B>à à</B> Vo environ, et si les pièces coulées sont soumises<B>à</B> un traitement ther- Mique approprié. Pour quelques usages, une teneur en cuivre plus élevée est, désirable.
Il a été' constaté, cependant, que l'on peut utili ser avantageusement une teileur plus faible en cuivre et une teneur plus élevée en sili- eium. Ainsi, un alliage contenant<B>8 %</B> de silicium et 2 '/o de cuivre, approximativement-, donne une bonne combinaison de propriétés physiques et d'excellentes qualités de mou- lace, spécialement dans le cas d'un moulage ou coulée sous pression en coquille, par suite (le la fluidité et de la contraction r(kluite de Falliage.
La, présence, de zinc est quelquefois avan' tageuse. Ainsi, une barre-êîprouvette, coulée en coquille et soumise an refroidissement ra pide, d'un allia,,,e d'aluminium contenant<B>6</B> de silicium,<B>3 %</B> de cuivre et 12 '/o de zinc, a montré -une résistance<B>à</B> la traction (le<B>3080</B> kg par em2 et une faculté d'allongement de<B>6</B> Avec un alliage d'aluminium<B>à 8</B> '/o de sili- ciiim, <B>1 %</B> de cuivre et<B>5 %</B> de zine,
la résis- fiance <B>à.</B> la traction, après traitement iller- mique, était de<B>2170' kg</B> par em2, mais la ductilité était de<B>1.3 %.</B> Sans cuivre, la pré sence de zinc est en général plus désirable dans des alliages d'aluminium auxquels un inkal alcalin a<B>été</B> ajouta-, comme décrit, par exemple, dans le brevet suisse no <B>99989</B> que <B>dans un</B> alliage -d'aliimiiiiiii-li-siliciiim simple.
Dans fous<I>les cas,</I> pour obtenir une strue- turc Ù, grain fin du silicium, le refroidisse ment rapide de l'allialge coulé est important, ear ce refroidissement, rapide produit simul- fanément une amélioration des propriétés physiques et -une structure plus fine de len- tectique aluminium-silicium, qu'on ne l'ob tiendrait avec le môme alliage, mais con tenant un métal alcalin, coulé par un procédé dans lequel la vitesse de refroidissement est relativement faible.
Ceci est particulièrement le cas dans des alliages aluluinium-silieium. à teneur en fer relativement élevée, où l'ad dition<B>de</B> métal alcalin produit seulement une amélioration modérée dans les dimensions des particules, plaques ou aiguilles de l'élé- .ment constitutif riche en fer. Au contraire, <B>le</B> refroidissement rapide lors de la coulée de l'alliage exerce une action beaucoup pl-Lis grande -Û, ce point<B>de</B> vue.