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WO2003006698A1 - Piece coulee sous pression en alliage d'aluminium a haute ductilite - Google Patents

Piece coulee sous pression en alliage d'aluminium a haute ductilite Download PDF

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WO2003006698A1
WO2003006698A1 PCT/FR2002/002394 FR0202394W WO03006698A1 WO 2003006698 A1 WO2003006698 A1 WO 2003006698A1 FR 0202394 W FR0202394 W FR 0202394W WO 03006698 A1 WO03006698 A1 WO 03006698A1
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WO
WIPO (PCT)
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content
ppm
elongation
parts
under pressure
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2002/002394
Other languages
English (en)
Inventor
François COSSE
Jean-Jacques Perrier
Jorunn Snoan Iversen
Stig Brusethaug
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Norsk Hydro ASA
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Norsk Hydro ASA
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Publication date
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Application filed by Aluminium Pechiney SA, Norsk Hydro ASA filed Critical Aluminium Pechiney SA
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Priority to EP02767556A priority patent/EP1404885A1/fr
Priority to JP2003512455A priority patent/JP2004536223A/ja
Priority to CA002452479A priority patent/CA2452479A1/fr
Publication of WO2003006698A1 publication Critical patent/WO2003006698A1/fr
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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys

Definitions

  • the invention relates to the field of intended for the manufacture of aluminum-silicon alloy parts molded by die-casting, of relatively thin thickness, and in particular structural or safety parts for the automobile.
  • the high copper content if it has a favorable influence on the mechanical strength, makes the alloy susceptible to corrosion.
  • good resistance to corrosion in particular to stress corrosion, is necessary to avoid deterioration of the part in a corrosive environment such as snow-removing salt.
  • Various alloy formulations have been proposed to meet these requirements. For example, US Pat. No.
  • Patent EP 0687742 filed in 1994 by Aluminum Rheinfelden describes an alloy for die casting intended for safety molded parts, of composition
  • EP 0992601 and EP 0997550 filed in 1998 by Alusuisse, describe the manufacture by pressure casting of alloy parts of composition: Si: 9.5 - 11.5 Mg: 0.1 - 0.4 Mn: 0, 3 - 0.6 Fe: 0.15 - 0.35 Ti ⁇ 0, l Sr: 90 - 180 ppm possibly Cr: 0, 1 - 0.3 Ni: 0, 1 - 0.3 Co: 0, 1 - 0.3
  • the parts are subjected to a partial dissolution between 400 and 490 ° C.
  • These different alloys require, to reach the required mechanical resistance, a heat treatment with dissolution and quenching, which leads to significant deformations parts which must undergo straightening, leading to a significant increase in the cost price.
  • US patent 6132531 filed in 1997 by Alcoa, relates to an alloy for die casting, intended in particular for structure nodes of automobile bodywork of the “space-frame” type, of composition: Si ⁇ 0.20 Fe ⁇ 0.20 Mg : 2.80 - 3.60 Mn: 1.10 - 1.40 Ti ⁇ 0.15 Be: 0.0005 - 0.0015. Good mechanical properties are obtained without heat treatment of the cast parts. The absence of silicon affects the flowability of the alloy. Purpose of the invention
  • the object of the invention is to provide aluminum alloys for the pressure casting of structural and safety parts for the automobile having both sufficient mechanical strength without necessarily requiring a complete heat treatment of the T6 or T7 type, high ductility, good corrosion resistance, good moldability and allowing the production of parts in large series under acceptable economic conditions.
  • the subject of the invention is safety or structural parts die-cast in a ductile aluminum alloy of composition (% by weight):
  • FIGS. 1a, 1b and 1c represent the respective variation of the breaking strength, the elastic limit and the elongation as a function of the silicon content, for different magnesium contents, on thick sample plates 2.5 mm pressure casting with vacuum assistance and not heat treated (state F).
  • Figure 2 shows the mechanical characteristics of die cast parts
  • the invention is based in particular on the observation that by lowering the silicon content compared to the alloys of the prior art intended for the same applications, it is possible to obtain for the die-cast parts an interesting compromise between the mechanical strength, in particular at the simply returned state (T5) and ductility, while keeping an acceptable flowability, and an absence of cracks and shrinkage.
  • the silicon content is at least 2% to maintain good flowability, and at most 6% to obtain high ductility in the T5 state. It is preferably between 3.5 and 5%.
  • the influence of the silicon content on the elastic limit and the elongation is illustrated by Figures la and lb in the F state (untreated) and Figure 2 in the T5 state, which show in particular the rapid decrease in elongation as the silicon content increases.
  • Magnesium has the same effects as silicon by forming with it particles of Mg 2 Si which have a hardening effect on heat treatment.
  • this hardening effect partially subsists in the absence of dissolution and quenching, probably by an effect of supersaturation of the solid aluminum solution. It is thus possible to limit the magnesium content to 0.4, or even 0.3 or 0.25%, which improves the elongation, while keeping a good elastic limit.
  • Iron, manganese, chromium, cobalt, vanadium, molybdenum and nickel form individually or in combination with aluminum weakening intermetallic compounds, and their content must be limited. However, when the rate of cooling on demolding is high, embrittlement is less, since these components have a reduced size and a more favorable morphology. Conversely, these same elements contribute to reducing the “sticking” in the mold, of casting, by reducing the chemical potential of the alloy compared to steel. As iron has an unfavorable influence on the elongation and must be limited to 0.5%, and preferably 0.2%, it is essential that in addition to the iron at least one of the other elements is present.
  • this element is manganese
  • its content must be between 0.3 and 2%, and preferably between 0.7 and 1.5%.
  • Titanium, combined with boron, is a refiner of the solid aluminum solution by reducing the grain size of the primary particles. In addition, it increases the supply capacity of the volumetric contraction during solidification, which contributes to improving the compactness of the parts.
  • Copper should be kept below 0.3%, and preferably 0.1% to avoid sensitivity to corrosion, and because it reduces elongation.
  • Lead, tin and antimony inhibit the action of the modifying elements.
  • the modifying or refining elements of eutectics such as strontium, sodium and calcium, modify the size and morphology of the silicon wafers by giving them a fiber structure. They can also act as refiners of certain intermetallic compounds.
  • the die-cast parts, with or without vacuum assistance, from the alloys according to the invention, can be used without heat treatment (state F), or on the contrary be subjected to a complete heat treatment T6 or T7 comprising a setting solution, quenching and tempering, or T3 treatment with natural aging after quenching.
  • the alloys according to the invention make it possible to produce parts having both good mechanical strength and high elongation, leading to good impact resistance and making possible assemblies requiring high ductility, for example crimping. They also have good suitability for TIG, MIG or laser welding, and good compatibility with the 6000 aluminum alloys used for bodywork.
  • the alloys have a low oxidizability in the liquid state, a good ease of recycling and a low loss on ignition at the remelting of waste. Examples
  • Sample plates in 9 different alloys A to I were produced by pressure casting, with vacuum assistance (residual pressure in the mold of 80 hPa), the composition of which is given in Table 1.
  • the plates were 120 ⁇ 220 mm and 2.5 mm thick.
  • the casting was done on a 3200 kN press with a closing force, with a piston injection speed of 0.7 m / s.
  • the metal temperature in the oven was 780 ° C.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
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Abstract

L'invention a pour objet une pièce de sécurité ou de structure coulée sous pression en alliage d'aluminium ductile de composition (% en poids) : Si : 2-6 Mg <l 0,40 Cu < 0,30 Zn < 0,30 Fe < 0,50 Ti <lt; 0,30, au moins un élément destine a réduire le collage sur le moule tel que Mn (0,3-2%), Cr (0,1-0,3), Co (0,1-0,3), V (0,1-0,3) et Mo (0,1-0,4), et au moins un élément modificateur de l'eutectique, tel que Sr (50-500 ppm), Na (20 -100 ppm) et Ca (30-120 ppm), autres éléments < 0,05 chacun et < 0,10 au total, reste aluminium. présentant, après un revenu T5 a une température inférieure a 220 °C, une limite d'élasticité RpO,2 ° 110 MPa et un allongement A > 10%.

Description

Pièce coulée sous pression en alliage d'aluminium à haute ductilité
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine des destinés à la fabrication de pièces en alliage aluminium-silicium moulées par coulée sous pression, d'épaisseur relativement mince, et notamment des pièces de structure ou de sécurité pour l'automobile.
Etat de la technique
L'utilisation des alliages d'aluminium de moulage se développe rapidement dans l'automobile, notamment pour les pièces de sécurité telles que les liaisons au sol et les éléments de structure, permettant un allégement du véhicule. Cet allégement est d'autant plus important qu'on peut obtenir une résistance mécanique élevée. Des alliages connus, tel que l'alliage Al-Si9Cu3Mg permettent d'obtenir, à l'état non traité F, une résistance à la rupture Rm d'au moins 300 MPa et une limite d'élasticité Rpo, d'au moins 230 MPa. Par contre, l'allongement à la rupture A ne dépasse pas 2%. Or, les pièces de structure ou de sécurité pour l'automobile requièrent une ductilité suffisante pour absorber l'énergie et éviter une rupture en cas de choc, ainsi que pour s'adapter à divers modes d'assemblage. D'autre part, la teneur élevée en cuivre, si elle a une influence favorable pour la résistance mécanique, rend l'alliage sensible à la corrosion. Or, une bonne résistance à la corrosion, notamment à la corrosion sous contrainte, est nécessaire pour éviter une détérioration de la pièce dans un environnement corrosif tel que le sel de déneigement. Diverses formulations d'alliages ont été proposées pour répondre à ces exigences Par exemple, le brevet US 3726672, déposé en 1970 par US Réduction, décrit un alliage pour roue coulée sous pression de composition (% en poids) : Si : 11 - 13,5 Mg : 0,25 - 0,6 Cu : 0,25 - 0,6 Mn < 0,5 Zn < 3 Fe : 0,5 - 1,5 Cr : 0,25 - 0,4 Le brevet US 4104089, déposé en 1976 par Nippon Light Métal concerne des pièces moulées sous pression sans porosité pour l'automobile à haute résistance mécanique et tenue aux chocs, de composition :
Si : 7 - 12 Mg : 0,2 - 0,5 Mn : 0,55 - 1 Fe : 0,65 - 1,2 Les pièces sont traitées par mise en solution entre 450 et 530°C, trempées et soumises à un revenu de plus d'une heure entre 150 et 230°C.
Le brevet EP 0687742, déposé en 1994 par Aluminium Rheinfelden décrit un alliage pour coulée sous pression destiné à des pièces moulées de sécurité, de composition
(% en poids) : Si : 9,5 - 11,5 Mg : 0,1 - 0,5 Mn : 0,5 - 0,8 Fe < 0,15 Cu < 0,03
La demande WO 96/27686, déposée en 1995 par Alcoa décrit des pièces coulées sous pression pour des structures d'automobiles de type « space-frame » en alliage de composition : Si : 8,5 - 11 Mg : 0,10 - 0,35 Mn : 0,4 - 0,8 Fe < 0,50 Le brevet AT 404844, déposé en 1997 par Aluminium Lend, concerne un alliage pour coulée sous pression de composition :
Si : 9 - 12,5 Mg : 0,10 - 0,60 Mn : 0,30 - 0,45 Cr : 0,05 - 0,40 Fe < 0,18 Cu < 0,05 Zn < 0,10 Ti : 0,01 - 0,20
Les demandes EP 0992601 et EP 0997550, déposées en 1998 par Alusuisse, décrivent la fabrication par coulée sous pression de pièces en alliage de composition : Si : 9,5 - 11,5 Mg : 0,1 - 0,4 Mn : 0,3 - 0,6 Fe : 0,15 - 0,35 Ti < 0,l Sr : 90- 180 ppm éventuellement Cr : 0, 1 - 0,3 Ni : 0, 1 - 0,3 Co : 0, 1 - 0,3 Les pièces sont soumises à une mise en solution partielle entre 400 et 490°C Ces différents alliages nécessitent, pour atteindre la résistance mécanique requise, un traitement thermique avec une mise en solution et une trempe, ce qui conduit à des déformations importantes des pièces qui doivent subir un redressage, entraînant une augmentation importante du prix de revient.
Le brevet US 6132531, déposé en 1997 par Alcoa, concerne un alliage pour coulée sous pression, destiné notamment aux nœuds de structure de carrosserie automobile de type « space-frame », de composition : Si < 0,20 Fe < 0,20 Mg : 2,80 - 3,60 Mn : 1,10 - 1,40 Ti < 0,15 Be : 0,0005 - 0,0015. De bonnes propriétés mécaniques sont obtenues sans traitement thermique des pièces coulées. L'absence de silicium affecte la coulabilité de l'alliage. But de l'invention
L'invention a pour but de fournir des alliages d'aluminium pour la coulée sous pression de pièces de structure et de sécurité pour l'automobile présentant à la fois une résistance mécanique suffisante sans nécessiter obligatoirement un traitement thermique complet du type T6 ou T7, une ductilité élevée, une bonne résistance à la corrosion, une bonne aptitude au moulage et permettant la fabrication de pièces en grandes séries dans des conditions économiques acceptables.
Ob j et de l' invention
L'invention a pour objet des pièces de sécurité ou de structure coulées sous pression en alliage d'aluminium ductile de composition (% en poids) :
Si : 2 - 6 Mg < 0,40 Cu < 0,30 Zn < 0,30 Fe < 0,50 Ti < 0,30, au moins un élément destiné à réduire le collage sur le moule tel que Mn (0,3 - 2%),
Cr (0,1 - 0,3), Co (0,1 - 0,3), V (0,1 - 0,3) et Mo (0,1 - 0,4), et au moins un élément modificateur de l'eutectique, tel que Sr (50 - 500 ppm), Na
(20 - 100 ppm) et Ca (30 - 120 ppm), autres éléments < 0,05 chacun et < 0,10 au total, reste aluminium, présentant après un revenu T5 à une température inférieure à 220°C, une limite d'élasticité Rp0;2 > 110 MPa et un allongement à la rupture A > 10%.
De préférence, on vise pour la composition les valeurs limites suivantes :
Si : 3,5 - 5 Mg : 0,05 - 0,20 Mn : 0,7 - 1,5 Ti : 0,05 - 0,15 Cu < 0,10
Zn < 0,10
Description des figures
Les figures la, lb et le représentent la variation respective de la résistance à la rupture, de la limite d'élasticité et de l'allongement en fonction de la teneur en silicium, pour différentes teneurs en magnésium, sur des plaques échantillons d'épaisseur 2,5 mm coulées sous pression avec assistance de vide et non traitées thermiquement (état F). La figure 2 montre les caractéristiques mécaniques de pièces coulées sous pression
(SP) et en coquille par gravité (Coq) pour des alliages à 7% de silicium en fonction de leur teneur en magnésium.
Description de l'invention
L'invention repose notamment sur la constatation qu'en abaissant la teneur en silicium par rapport aux alliages de l'art antérieur destinés aux mêmes applications , on peut obtenir pour les pièces coulées sous pression un compromis intéressant entre la résistance mécanique, en particulier à l'état simplement revenu (T5) et la ductilité, tout en gardant une coulabilité acceptable, et une absence de criques et de retassures. La teneur en silicium est d'au moins 2% pour garder une bonne coulabilité, et au plus de 6% pour obtenir une ductilité élevée à l'état T5. Elle est de préférence comprise entre 3,5 et 5%. L'influence de la teneur en silicium sur la limite d'élasticité et l'allongement est illustrée par les figures la et lb à l'état F (non traité) et la figure 2 à l'état T5, qui montrent en particulier la diminution rapide de l'allongement lorsque la teneur en silicium augmente.
Le magnésium a les mêmes effets que le silicium en formant avec lui des particules de Mg2Si qui ont un effet durcissant au traitement thermique. Cependant, la demanderesse a constaté avec surprise qu'aux vitesses de refroidissement spécifiques à la coulée sous pression de pièces de faible épaisseur, cet effet durcissant subsiste partiellement en l'absence de mise en solution et trempe, vraisemblablement par un effet de sursaturation de la solution solide d'aluminium. On peut ainsi limiter la teneur en magnésium à 0,4, voire à 0,3 ou 0,25%, ce qui améliore l'allongement, le tout en gardant une bonne limite d'élasticité.
Le fer, le manganèse, le chrome, le cobalt, le vanadium, le molybdène et le nickel forment individuellement ou en combinaison avec l'aluminium des composés intermétalliques fragilisants, et leur teneur doit être limitée. Cependant, lorsque la vitesse de refroidissement au démoulage est importante, la fragilisation est moindre, car ces composants ont une taille réduite et une morphologie plus favorable. Inversement, ces mêmes éléments contribuent à réduire le « collage » dans le moule , de coulée, en diminuant le potentiel chimique de l'alliage par rapport à l'acier. Comme le fer a une influence défavorable sur l'allongement et doit être limité à 0,5%, et de préférence à 0,2%, il est indispensable qu'en plus du fer l'un au moins des autres éléments soit présent. Dans le cas où cet élément est le manganèse, sa teneur doit être comprise entre 0,3 et 2%, et de préférence entre 0,7 et 1,5%. Le titane, combiné au bore, est un affinant de la solution solide d'aluminium en réduisant la taille de grain des particules primaires. De plus, il augmente la capacité d'alimentation de la contraction volumétrique pendant la solidification, ce qui contribue à améliorer la compacité des pièces.
Le cuivre doit être maintenu en dessous de 0,3%, et de préférence de 0,1% pour éviter une sensibilité à la corrosion, et parce qu'il réduit l'allongement. Le plomb, l' étain et l' antimoine inhibent l' action des éléments modificateurs..
Les éléments modificateurs ou affinants de l'eutectique, tels que le strontium, le sodium et le calcium, modifient la taille et la morphologie des plaquettes de silicium en leur donnant une structure fibrée. Ils peuvent agir également comme affinants de certains composés intermétalliques. Les pièces moulées sous pression, avec ou sans assistance de vide, à partir des alliages selon l'invention, peuvent être utilisées sans traitement thermique (état F), ou au contraire être soumises à un traitement thermique complet T6 ou T7 comportant une mise en solution, une trempe et un revenu, ou un traitement T3 avec vieillissement naturel après trempe. Elles sont particulièrement bien adaptées à un simple traitement de revenu (état T5), à une température inférieure à 220°C, d'une durée comprise entre 15 mn et 1 h., ce traitement pouvant être réalisé, pour les pièces automobiles, lors de l'opération de cuisson des peintures, qui se fait généralement à une température comprise entre 150 et 220°C.
Les alliages selon l'invention permettent de réaliser des pièces présentant à la fois une bonne résistance mécanique et un allongement élevé, conduisant à une bonne résistance aux chocs et rendant possibles des assemblages nécessitant une grande ductilité, par exemple le sertissage. Elles présentent également une bonne aptitude au soudage TIG, MIG ou laser, et une bonne compatibilité avec les alliages d'aluminium 6000 utilisés pour la carrosserie. Les alliages ont une faible oxydabilité à l'état liquide, une bonne facilité de recyclage et une faible perte au feu à la refusion des déchets. Exemples
Exemple 1 : Effet de la composition sur les caractéristiques mécaniques statiques
On a produit par coulée sous pression, avec assistance de vide (pression résiduelle dans le moule de 80 hPa), des plaques échantillons en 9 alliages différents A à I, dont la composition est donnée au tableau 1. Les plaques étaient de format 120 x 220 mm et d'épaisseur 2,5 mm. La coulée a été faite sur une presse de 3200 kN de force de fermeture, avec une vitesse d'injection au piston de 0,7 m/s. La température du métal au four était de 780°C.
Tableau 1
Figure imgf000007_0001
Dans ces plaques non traitées thermiquement, on a usiné des éprouvettes de traction, et mesuré la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rp0,2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %). Les résultats (moyennes de 10 éprouvettes) sont repris au tableau 2 et sur les figures la, 1b et le. Tableau 2
Figure imgf000008_0001
On constate que, pour des alliages entre 3 et 7% de silicium et entre 0,1 et 0,2% de magnésium, la résistance à la rupture et la limite élastique croissent avec la teneur en silicium, et l'allongement décroît. La limite élastique croît également avec la teneur en magnésium, alors que l'effet du magnésium sur l'allongement n'est pas significatif.
Exemple 2 : effet de la vitesse de refroidissement
On a coulé en coquille par gravité des éprouvettes usinées au diamètre 13,8 mm selon la norme NF A 57-102 dans des alliages à 7% de silicium et respectivement 0, 0,13 et 0,20% de magnésium, et on a comparé les caractéristiques mécaniques avec celles de l'exemple 1 pour les alliages G, H et I. Les résultats sont repris au tableau 3 et à la figure 2. Tableau 3
Figure imgf000009_0001
On constate, pour les pièces coulées en coquille avec une vitesse de refroidissement beaucoup plus faible, la résistance à la rupture et la limite d'élasticité sont beaucoup plus faibles, surtout aux faibles teneurs en magnésium, et l'allongement plus élevé.

Claims

Revendications
1. Pièce de sécurité ou de structure coulée sous pression en alliage d'aluminium ductile de composition (% en poids) :
Si : 2 - 6 Mg < 0,40 Cu < 0,30 Zn < 0,30 Fe < 0,50 Ti < 0,30, au moins un élément destiné à réduire le collage sur le moule tel que Mn (0,3 - 2%), Cr (0,1 - 0,3), Co (0,1 - 0,3), V (0,1 - 0,3) ou Mo (0,1 - 0,4), et au moins un élément modificateur de l'eutectique, tel que Sr (50 - 500 ppm), Na (20 - 100 ppm) et Ca (30 - 120 ppm), autres éléments < 0,05 chacun et < 0,10 au total, reste aluminium, présentant, après un revenu T5 à une température inférieure à 220°C, une limite d'élasticité Rp0,2 > 110 MPa et un allongement A > 10%.
2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en silicium est comprise entre 3,5 et 5%.
3. Pièce selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en magnésium est comprise entre 0,05 et 0,25%.
4. Pièce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en titane est comprise entre 0,05 et 0,15%.
5. Pièce selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en cuivre est inférieure à 0,10%.
6. Pièce selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en fer est inférieure à 0,20%.
7. Pièce selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la teneur en zinc est inférieure à 0,10%. Pièce selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,7 et 1,5%.
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