Procédé de fabrication de pièces forgées à chaud en alliage de magnésium

La présente invention concerne le domaine du travail des métaux, et plus particulièrement des alliages en magnésium.

Pour la réalisation de certaines pièces de machines à hautes performances, on utilise couramment l'aluminium ou bien un alliage d'aluminium pour leurs propriétés mécaniques combinées à un faible poids. Pour ces raisons, ils trouvent un emploi dans les véhicules automobiles et les machines aéronautiques notamment. Conventionnellement les pièces, telles que des éléments de carter de moteur, sont usinées dans des plaques ou des ébauches obtenues par la technique du moulage. Cependant, lorsqu'il s'agit de pièces soumises en fonctionnement à des températures allant au delà de 150 - 180 ⁰ C, la stabilité thermique de ces matériaux devient insuffisante. Cette faiblesse se traduit en service par des déformations et des pertes de résistance mécanique. En augmenter la masse n'est pas une solution dans un domaine où le poids est un facteur important de choix du matériau.

On a proposé de remplacer ce métal par des alliages à base de magnésium pour les mêmes applications. En effet, ceux-ci sont connus d'une part pour leur densité plus basse et d'autre part parce qu'ils sont susceptibles de bénéficier d'une meilleure tenue à chaud. Cependant tous les alliages de magnésium ne sont pas satisfaisants. Par exemple, les séries d'alliage connus AZ31, AZ61 ou AZ80 et ZK révèlent des comportements proches des alliages d'aluminium et ne répondent ainsi pas au besoin exprimé. De nouveaux alliages de magnésium moulés sont apparus ces dernières années et sont destinés au même domaine d'application, mais le moulage génère des taux d'aléas élevés, de l'ordre de 15 à 30%. Les défauts tels que la porosité ou les retassures doivent être pris en compte dans le dimensionnement de pièces. Cela réduit le bénéfice de leur emploi.

Par ailleurs à la connaissance du déposant, il existe un seul alliage de magnésium forgé industriel qui présente des caractéristiques suffisamment stables dans le domaine d'emploi à une température supérieure à 18O ⁰ C le WE 43 mais il est très coûteux. Cependant, selon l'art antérieur, il est admis que la résistance à la rupture et la limite d'élasticité d'un bloc d'alliage de magnésium sont influencées négativement par la température à laquelle la déformation est effectuée. La figure 6.64 de l'ouvrage « Magnésium technology » de 2006 par Horst E. Friedrich et Barry L. Mordike aux éditions Springer Allemagne, montre ainsi qu'un lingot d'alliage de QE22 (Mg-2,2Ag-2Nd-

0,5Zr) soumis à un traitement d'extrusion voit ses caractéristiques mécaniques diminuer quand on augmente la température à laquelle celui-ci est effectué. La température explorée a été limitée à 400 ⁰ C.

Le déposant s'est fixé comme objectif de réaliser une pièce en alliage de magnésium, pour la réduction de masse qu'il procure par rapport à l'aluminium notamment mais dont les stabilités métallurgique et dimensionnelle aux températures de fonctionnement de la pièce, soient suffisantes pour ne pas nécessiter d'épaississement des zones sollicitées mécaniquement. En effet un tel épaississement est souvent rendu nécessaire pour tenir compte de la perte de caractéristiques liée au vieillissement thermique du matériau qui la constitue.

Il est important que le coût reste inférieur à celui de la mise en oeuvre des alliages connus.

L'invention parvient à réaliser ces objectifs avec un procédé de fabrication d'une pièce en alliage de magnésium comprenant une étape de forgeage d'un bloc dudit alliage suivie d'un traitement thermique, caractérisé par le fait que l'alliage est un alliage de fonderie à base de 85 % magnésium comprenant en poids :

0,2 à 1 ,3 % de Zinc, 2 à 4,5 % de Néodyme,

0,2 à 7,0 % de terre rare métallique de poids atomique 62 à 71, 0,2 à 1,0 % de zirconium, et que le forgeage est réalisé à une température supérieure à 400 ⁰ C.

Un exemple d'alliage de fonderie est celui fourni par la société

Magnésium Elektron Limited (sous la référence Elektron 21) de dénomination normalisée EV31A et dont la composition plus précise est la suivante. L'alliage de magnésium comprend : 0,2 à 0,5% de Zinc, 2,6 à 3,1 % de Néodyme, 1 ,0 à 1,7 % de Gadolinium, et est saturé en Zirconium. Ce produit est défini par les revendications de la demande de brevet WO 2005/035811.

Plus particulièrement, la température de forgeage est comprise entre 420 et 430 ⁰ C et la déformation plastique est effectuée à vitesse lente, notamment à une vitesse correspondant à une vitesse de déplacement du coulisseau de forgeage inférieure à 40mm/sec.

Alors que selon l'art antérieur, comme cela est illustré dans l'ouvrage cité plus haut, le forgeage à chaud d'un alliage de magnésium de fonderie n'apparaissait pas donner des résultats améliorés quant à ses caractéristiques mécaniques, on a constaté avec surprise que l'application du procédé de l'invention sur un alliage de fonderie de la famille de

PEV31A, fournissant déjà des caractéristiques mécaniques élevées et une résistance à la corrosion améliorée, permettait la réalisation de pièces ayant en outre une excellente tenue au vieillissement tout en étant en service soumis à des températures de l'ordre de 200 ⁰ C. En outre par le forgeage, on réduit sensiblement le taux d'aléas.

De préférence et conformément à un mode de réalisation la déformation plastique de forgeage est effectuée par matriçage en une ou plusieurs étapes.

Conformément à un autre mode de réalisation, la déformation plastique est effectuée par filage ou laminage.

Conformément à une autre caractéristique, le bloc initial vient de moulage et plus particulièrement bloc moulé est corroyé au préalable avant matriçage.

Conformément à une autre caractéristique, le forgeage est suivi d'un traitement thermique avec une étape de mise en solution, une étape de trempe et une étape de revenu à une température comprise entre 200 ⁰ C et 250 ⁰ C.

On décrit maintenant, un mode de réalisation de l'invention à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 montre un bloc d'alliage de fonderie dans sa forme initiale avant forgeage et dans sa forme après corroyage, la figure 2 est un exemple d'installation de matriçage.

On a traité au préalable un bloc en alliage EV31A venu de fonderie. Un lopin, d'élancement initial (rapport H/D) de l'ordre de 2, a été corroyé une pluralité de fois, pour obtenir une galette 1 d'élancement H/D = 1/5, rapport pour lequel il est possible de la forger, sans qu'elle soit contenue latéralement, sans risque de flambage et de création d'imperfections dans les fibres du métal. Le corroyage est ici obtenu par refoulement ou autre technique. Un dispositif de refoulement pour le corroyage de lopins métalliques comprend deux tas plats, pouvant comporter éventuellement un logement d'encastrement. Un lopin est disposé sur le tas inférieur, les deux tas plats étant pressés l'un contre l'autre, par une presse, pour assurer le refoulement du lopin, qui prend donc la forme, correspondant au logement entre les deux tas plats. Plusieurs opérations de refoulement sont généralement nécessaires pour l'obtention du lopin utilisable en matriçage. Des réchauffes de lopins sont possibles entre les différentes opérations de refoulement.

On procède ensuite au matriçage en une ou plusieurs étapes ; par exemple une première étape de matriçage ébauche permet d'obtenir une

première forme approchant la forme définitive. Ensuite on procède au matriçage de précision sur une presse permettant d'obtenir la pièce à la forme définitive. On observe que cette forme définitive peut être le cas échéant usinée pour obtenir la pièce prête à être utilisée. Un exemple d'installation 3 est représenté sur la figure 2. Les matrices, supérieure 5a, inférieure 5b sont des tas plats permettant l'obtention de la forme à l'étape considérée. L'installation comprend des moyens de chauffage, en l'occurrence un four électrique ventilé, pour chauffer la galette à la température conforme au procédé de l'invention. Cette température est supérieure à 400 ⁰ C, de préférence elle est comprise entre 420 et 43O ⁰ C (température visée = 425°C) pour l'alliage EV31A. On chauffe de la même façon l'ébauche avant l'étape de matriçage de précision.

Les outillages de matriçage sont préchauffés et maintenus en température en cours de procédé de fabrication. La vitesse de déformation de la pièce correspondant à la vitesse de déplacement du coulisseau de la machine de matriçage est inférieure à 40 mm/sec, de préférence comprise entre 10 et 30 mm/s, la vitesse visée est de 20 mm/s.

Lorsque la pièce est sortie de l'installation de matriçage, elle est ébavurée (enlèvement du surplus de matière utile à la fabrication des pièces) et nettoyée.

Elle subit enfin un traitement thermique de type T6 en fonction des caractéristiques mécaniques recherchées notamment pour assurer les caractéristiques mécaniques et la stabilité dimensionnelle jusqu'à 200 ⁰ C. Ce traitement comprend : une mise en solution pendant 8 heures à 52O ⁰ C, une trempe à l'eau + polymère < 40 ⁰ C ou eau de 60 à 80 ⁰ C,

Un revenu à une température comprise entre 200 ⁰ C et 25O ⁰ C pendant une durée supérieure à 16 heures. Cette température est déterminée en fonction de la température de fonctionnement prévue de la pièce.

La plage de température de revenu comprise entre 200 ⁰ C et 225°C est optimisée pour obtenir de meilleures caractéristiques dans le cas d'un fonctionnement à température ambiante.

La plage de température de revenu comprise entre 225°C et 250 ⁰ C est optimisée pour obtenir de meilleures caractéristiques dans le cas d'un fonctionnement à température supérieure à 180 ⁰ C.

On a procédé à des essais de manière à pouvoir comparer les propriétés mécaniques de l'alliage forgé avec un alliage moulé de l'art antérieur AS7G06T1R2 qui est une référence pour l'aéronautique.

On a mesuré la résistance à la rupture Rm en Mpa et la limite d'élasticité Rpo. ₂ .

Sans vieillissement

Ces tableaux montrent une amélioration significative des caractéristiques mécaniques de l'alliage forgé de l'invention par rapport à un alliage de magnésium de l'art antérieur de fonderie, notamment concernant les caractéristiques après 10 000 heures de vieillissement à 180 ⁰ C.