FR2875816A1 - Extruded rod used in the production of a forged piston in combustion engines is made from an aluminum alloy containing alloying additions of silicon, copper, magnesium, chromium, nickel and titanium - Google Patents
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Abstract
Description
2875816 Piston forgé en alliage d'aluminium2875816 Forged aluminum alloy piston
Domaine de l'invention L'invention concerne un piston forgé en alliage d'aluminium de type Al-Si-Cu à haute résistance à la fatigue, notamment pour utilisation dans des moteurs à combustion. Field of the Invention The invention relates to a forged aluminum alloy piston of the Al-Si-Cu type with high fatigue resistance, in particular for use in combustion engines.
Etat de la technique Dans les moteurs à combustion interne, on utilise couramment des pistons moulés en alliage d'aluminium de type Al-Si. Ces alliages résistent bien à l'abrasion, aux contraintes thermiques et mécaniques, et à la fatigue dans une zone de température typiquement comprise entre -20 C et 400 C. STATE OF THE ART In internal combustion engines, pistons molded aluminum alloy type Al-Si are commonly used. These alloys are resistant to abrasion, thermal and mechanical stresses, and fatigue in a temperature range typically between -20 C and 400 C.
La demande de brevet DE 198 29 047 Al (Aisin Seiki KK) décrit un alliage pour piston moulé de composition Si 13 16 Cu2 5 Mg 0,2 1,3 Ni 1,0 2,5 V 0,05 0,2 P 0,004 0,02. Patent Application DE 198 29 047 A1 (Aisin Seiki KK) discloses a molded piston alloy of composition Si 13 16 Cu 2 5 Mg 0.2 1.3 Ni 1.0 2.5 V 0.05 0.2 P 0.004 0.02.
Si 11,0 14,0 Cu 5,6 8,0 Mg 0,5 -1,5 Ni 0,05 0,9 Mn 0 -1,0 Ti 0,05 1,2 Zr 0,12 -1,2 Zn 0,05 0,9 Fe 0 0,8 Sr 0,001 0,1. If 11.0 14.0 Cu 5.6 8.0 Mg 0.5 -1.5 Ni 0.05 0.9 Mn 0 -1.0 Ti 0.05 1.2 Zr 0.12 -1.2 Zn 0.05 0.9 Fe 0 0.8 Sr 0.001 0.1.
Pour la même application, la demande de brevet DE 198 45 279 Al (Alcan Deutschland GmbH) propose des alliages de type Al-Si avec une teneur en nickel 30 beaucoup plus élevée, jusqu'à 12%. For the same application, patent application DE 198 45 279 A1 (Alcan Deutschland GmbH) offers alloys of the Al-Si type with a much higher nickel content of up to 12%.
Le brevet US 6,399,020 (United States of America) décrit un alliage pour piston moulé de composition On connaît aussi des pistons forgés, qui présentent en général une meilleure résistance à la fatigue que les pistons moulés. Le brevet EP 924 310 B I (Federal Mogul) propose pour cet usage un alliage de composition Si 10,5 13,5 Cu 2,0 4,0 Mg 0,8 1, 5 Ni 0,5 2,0 Co 0,3 0,9 P > 20 ppm Ti 0,05 0,2 ou (Zr et/ou V 0 0, 2). US Pat. No. 6,399,020 (United States of America) discloses a cast piston composition alloy. Forged pistons are also known, which generally have better fatigue strength than molded pistons. Patent EP 924 310 BI (Federal Mogul) proposes for this purpose an alloy of composition Si 10.5 13.5 Cu 2.0 4.0 Mg 0.8 1, 5 Ni 0.5 2.0 Co 0.3 0.9 P> 20 ppm Ti 0.05 0.2 or (Zr and / or V 0 0, 2).
Le cobalt conduit à la formation de phases intermétalliques de petite taille, qui agissent favorablement sur la tenue à chaud de l'alliage. Cobalt leads to the formation of small intermetallic phases, which act favorably on the heat resistance of the alloy.
La demande de brevet UK 2 300 198 A (British Aluminium Holdings Ltd) décrit un 10 alliage pour piston forgé de composition Si 10,5 -12,5 Cu 2, 8 4,0 Mg 1,1 -1,8 Ni 1,0 -1,8 Fe 0,3 1,0 Mn 0 0,5 B, V, Zn, Cr, Ti 0 0,2 chaque et < 0,5 au total. UK Patent Application 2,300,198 A (British Aluminum Holdings Ltd) discloses a forged piston alloy of composition Si 10.5 -12.5 Cu 2, 8 4.0 Mg 1.1 -1.8 Ni 1, 0 -1.8 Fe 0.3 1.0 Mn 0 0.5 B, V, Zn, Cr, Ti 0 0.2 each and <0.5 in total.
Le brevet EP 790 325 B1 (Corus) décrit des produits filés de composition Si 11,0 -13,5 Cu 0 0,35 Mg 0,5 2,0 Mn 0 1,2 Ni, Zr, Cr, Zn 0 0,1 chacun Fe, Bi, Pb, Sn 0 1,0 chacun Sr 0,02 0,1. EP 790 325 B1 (Corus) discloses spun products of composition Si 11.0 -13.5 Cu 0 0.35 Mg 0.5 2.0 Mn 0 1.2 Ni, Zr, Cr, Zn 0 0, 1 each Fe, Bi, Pb, Sn 0 1.0 each Sr 0.02 0.1.
Ce brevet propose l'utilisation de cet alliage pour la fabrication de composants filés 20 pour des systèmes hydrauliques et pneumatiques, à des températures ne dépassant pas 150 C. This patent proposes the use of this alloy for the manufacture of spun components for hydraulic and pneumatic systems, at temperatures not exceeding 150 C.
Description des figuresDescription of figures
La figure 1 montre la résistance à la fatigue des alliages A (symbole: losange rempli noir) et B (symbole: carré non rempli), mesurée sur des éprouvettes cylindriques lors d'un essai de fatigue en contrainte axiale avec R=0,1. Figure 1 shows the fatigue strength of alloys A (symbol: black filled diamond) and B (symbol: square not filled), measured on cylindrical test pieces during a fatigue test in axial stress with R = 0,1 .
Description de l'inventionDescription of the invention
a) Définitions Sauf mention contraire, toutes les indications relatives à la composition chimique des alliages sont exprimées en pourcent massique. Par conséquent, dans une expression mathématique, 0,4 Zn signifie: 0, 4 fois la teneur en zinc, exprimée en pourcent massique; cela s'applique mutatis mutandis aux autres éléments chimiques. La désignation des alliages suit les règles de The Aluminum Association, connues de l'homme du métier. Les états métallurgiques sont définis dans la norme européenne EN 515. La composition chimique d'alliages d'aluminium normalisés est définie par exemple dans la norme EN 573-3. Sauf mention contraire, les caractéristiques mécaniques statiques, c'est-à-dire la résistance à la rupture Rm, la limite élastique RP0,2, et l'allongement à la rupture A, sont déterminées par un essai de traction selon la norme EN 10002-1, l'endroit et le sens du prélèvement des éprouvettes étant définis dans la norme EN 755-1 et EN 754-1. La résistance à la fatigue est déterminée par un essai selon ASTM E 466. Le terme produit filé inclut les produits dits étirés , c'est-à-dire des produits qui sont élaborés par filage suivi d'un étirage. (a) Definitions Unless otherwise stated, all information relating to the chemical composition of alloys is expressed in percent by mass. Therefore, in a mathematical expression, 0.4 Zn means: 0.4 times the zinc content, expressed in percent by weight; this applies mutatis mutandis to other chemical elements. The designation of the alloys follows the rules of The Aluminum Association, known to those skilled in the art. The metallurgical states are defined in the European standard EN 515. The chemical composition of standardized aluminum alloys is defined for example in the standard EN 573-3. Unless otherwise stated, the static mechanical characteristics, ie the breaking strength Rm, the yield strength RP0,2, and the elongation at break A, are determined by a tensile test according to the EN standard. 10002-1, the location and direction of sample collection being defined in EN 755-1 and EN 754-1. Fatigue strength is determined by a test according to ASTM E 466. The term spun product includes so-called stretched products, i.e., products that are made by spinning followed by drawing.
Sauf mention contraire, les définitions de la norme européenne EN 12258-1 s'appliquent. Unless otherwise stated, the definitions of the European standard EN 12258-1 apply.
b) Description détaillée de l'invention b) Detailed description of the invention
La présente invention peut s'appliquer aux alliages d'aluminium de type Al-Si (série 4xxx) contenant entre 8 et 14% de silicium, et préférentiellement entre 10,5 et 13,0% de silicium, entre 0,6 et 4,0 de cuivre, entre 0,4 et 1,3% de magnésium, et entre 0,25 et 1,3% de nickel. L'alliage peut contenir également du titane (0,02 0,05%), du strontium (0,01 0,03%), du chrome (au plus 0,20%), ainsi que, à titre d'impuretés, du fer (au plus 0,50%), du manganèse (au plus 0,10%) et du zinc (au plus 0,10%). On préfère une composition dans laquelle Fe + Mn + Ti ne dépasse pas 0,60%. The present invention can be applied to aluminum alloys of the Al-Si type (series 4xxx) containing between 8 and 14% of silicon, and preferably between 10.5 and 13.0% of silicon, between 0.6 and 4 , 0 of copper, between 0.4 and 1.3% of magnesium, and between 0.25 and 1.3% of nickel. The alloy may also contain titanium (0.02 0.05%), strontium (0.01 0.03%), chromium (at most 0.20%), and, as impurities, iron (not more than 0.50%), manganese (not more than 0.10%) and zinc (not more than 0.10%). A composition in which Fe + Mn + Ti does not exceed 0.60% is preferred.
Le cuivre conduit au durcissement structural de l'alliage. Le magnésium contribue au durcissement de l'alliage. Le nickel contribue à la stabilité de l'alliage à haute température. Les éléments titane et zirconium affinent le grain. Copper leads to the structural hardening of the alloy. Magnesium contributes to the hardening of the alloy. Nickel contributes to the stability of the alloy at high temperatures. The titanium and zirconium elements refine the grain.
Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, l'alliage a la composition suivante: Si 10,5 11,8 et préférentiellement 10,6 11,7 Cu 3,3 4,0 Mg 0,4 0,7 et préférentiellement 0,45 0,65 Cr 0,05 0,20 et préférentiellement 0,10 0,14 Ni 0,28 0,42 Ti 0,03 0,1 et préférentiellement 0,03 0,05 Zn 0 - 0,05 Sr 0,01 0,03 Mn 0 - 0,05 Fe 0 - 0,50 et préférentiellement 0 0,30 autres éléments 0,05 chaque et 0, 15 au total. In a particularly preferred embodiment, the alloy has the following composition: Si 10.5 11.8 and preferentially 10.6 11.7 Cu 3.3 4.0 Mg 0.4 0.7 and preferably 0.45 0.65 Cr 0.05 0.20 and preferentially 0.10 0.14 Ni 0.28 0.42 Ti 0.03 0.1 and preferably 0.03 0.05 Zn 0 0.05 Sr 0.01 0.03 Mn 0 - 0.05 Fe 0 - 0.50 and preferably 0 0.30 other elements 0.05 each and 0, 15 in total.
Dans un autre mode de réalisation avantageux, l'alliage a la composition suivante: Si 11,0 -12,5 Cu 0,7 -1,3 Mg 0,8 -1,3 Ni 0,8 1,3 Ti 0 - 0, 05 Zr 0 - 0,03 Fe0-0,50 Mn0-0,05 Zn0-0,10 Cr0-0,05 Fe+Mn+Ti0,60 autres éléments 0,05 chaque et 0,15 au total. In another advantageous embodiment, the alloy has the following composition: Si 11.0 -12.5 Cu 0.7 -1.3 Mg 0.8 -1.3 Ni 0.8 1.3 Ti 0 - 0, 05 Zr 0 - 0.03 Fe0-0.50 Mn0-0.05 Zn0-0.10 Cr0-0.05 Fe + Mn + Ti0.60 Other elements 0.05 each and 0.15 in total.
L'alliage est typiquement coulé en billettes de filage selon les techniques connues, homogénéisé, filé à chaud en barres, et optionnellement trempé sur presse. On préfère le filage inverse qui conduit à une microstructure plus régulière le long de la barre. Les barres filées sont découpées en ébauches pour forgeage de taille appropriée. Le forgeage se fait typiquement à une température comprise entre 400 et 480 C. Il est suivi d'une trempe. Les pièces forgées sont mises en solution, typiquement à une température comprise entre 460 et 530 C, et trempées. Ensuite, elles subissent un traitement de revenu. The alloy is typically cast into spinning billets according to known techniques, homogenized, hot-spun into bars, and optionally quenched on a press. Reverse spinning is preferred which leads to a more even microstructure along the bar. Spun bars are cut into forging blanks of appropriate size. The forging is typically at a temperature between 400 and 480 C. It is followed by quenching. Forged parts are put in solution, typically at a temperature between 460 and 530 C, and quenched. Then they undergo an income treatment.
Le piston forgé selon l'invention se prête particulièrement bien à l'utilisation dans un moteur de voiture de course, qui doit présenter la plus haute performance possible pendant un temps d'utilisation très court, de l'ordre de dizaines d'heures, voir même de quelques heures seulement. A titre d'exemple, le piston selon l'invention peut être utilisé dans un moteur pour une voiture de course Formule 1. Le concept de Formule 1 se réfère à un règlement de concours sportif particulier, et implique l'utilisation de voitures de course spécifiquement adaptées à cette compétition. Plus particulièrement, un moteur pour voiture de course Formule 1 est typiquement soumis à une sollicitation maximale pendant la durée de la compétition (de l'ordre de quelques heures), et puis soumis à une vérification technique intensive, au cours de laquelle on peut remplacer des pièces usées. La longévité du piston n'est pas un critère particulièrement important dans ce contexte, contrairement aux véhicules de tourisme destinés à l'utilisation sur réseau routier public. En revanche, la résistance à la fatigue est un critère important pour ces applications. Le piston selon l'invention peut avoir une résistance à la fatigue supérieure à 106 cycles (R = 0,1) pour une contrainte de 300 MPa; un piston avec la composition selon la revendication 4 tient même plus que 106 cycles (R = 0,1) pour une contrainte de 350 MPa. The forged piston according to the invention is particularly suitable for use in a racing car engine, which must have the highest possible performance for a very short time of use, of the order of tens of hours, see even a few hours only. By way of example, the piston according to the invention can be used in an engine for a Formula 1 racing car. The concept of Formula 1 refers to a particular competition regulation, and involves the use of racing cars. specifically adapted to this competition. More particularly, a Formula 1 racing car engine is typically subjected to maximum stress during the competition period (of the order of a few hours), and then subjected to an intensive technical inspection, during which it can be replaced worn parts. The longevity of the piston is not a particularly important criterion in this context, unlike passenger vehicles intended for use on the public road network. On the other hand, fatigue resistance is an important criterion for these applications. The piston according to the invention can have a fatigue strength greater than 106 cycles (R = 0.1) for a stress of 300 MPa; a piston with the composition according to claim 4 even holds more than 106 cycles (R = 0.1) for a stress of 350 MPa.
Le piston forgé selon l'invention peut également être utilisé dans d'autres véhicules de course, notamment dans des voitures, motos ou navires de course. Le piston selon l'invention peut également être utilisé dans des véhicules destinés au grand public ainsi que dans des véhicules utilitaires. Il peut également servir dans des installations hydrauliques ou pneumatiques, notamment à température élevée. The forged piston according to the invention can also be used in other racing vehicles, especially in cars, motorcycles or racing ships. The piston according to the invention can also be used in vehicles intended for the general public as well as in commercial vehicles. It can also be used in hydraulic or pneumatic installations, especially at elevated temperatures.
Dans les exemples qui suivent, on décrit à titre d'illustration des modes de réalisation avantageux de l'invention. Ces exemples n'ont pas de caractère limitatif. In the examples which follow, advantageous embodiments of the invention are illustrated by way of illustration. These examples are not limiting in nature.
Exemples:Examples:
On a fabriqué par filage à chaud deux barres cylindriques par filage à partir de deux alliages A et B dont la composition chimique approximative est indiquée dans le tableau 1. Two cylindrical bars were spin-spinned from two alloys A and B, the approximate chemical composition of which is shown in Table 1.
Tableau 1Table 1
Si Cu Mg Cr Ni Ti Sr A 11,2 3,65 0,55 0,12 0,35 0,04 0,02 B 11,8 1,0 1, 0 1,0 Leurs caractéristiques mécaniques au sens L (sens long) sont rassemblées dans le tableau 2. Ag est l'allongement réparti (en anglais: uniform elongation), et n le coefficient d'écrouissage (en anglais: hardening exponent). 5 Tableau 2 Température ambiante 150 C Rpo. 2 Rm Ag A n Rpo.2 R. A [%] [MPa] [MPa] [%] [%] (2-20%) [MPa] [MPa] A 355 443 7,4 9 0,074 318 362 11, 5 B 311 377 7,3 10,9 0,071 268 312 14,0 On a également déterminé la résistance à la fatigue par un essai de contrainte axiale avec R = 0,1 à température ambiante sur des échantillons cylindriques à surface lisse. Les résultats sont donnés sur le tableau 3 et la figure 1. If Cu Mg Cr Ni Ti Sr A 11.2 3.65 0.55 0.12 0.35 0.04 0.02 B 11.8 1.0 1, 0 1.0 Their mechanical properties in the sense L (meaning long) are collated in Table 2. Ag is the extended elongation, and n is the hardening coefficient. Table 2 Room temperature 150 C Rpo. 2 Rm Ag A n Rpo.2 R.A [%] [MPa] [MPa] [%] [%] (2-20%) [MPa] [MPa] A 355 443 7.49 0.074 318 362 11, The fatigue strength was also determined by an axial stress test with R = 0.1 at room temperature on smooth surface cylindrical samples. The results are given in Table 3 and Figure 1.
Tableau 3Table 3
Alliage Contrainte [MPa] Nombre de cycles A 300 10 803 100 (*) A 300 12 495 400 (*) A 360 2 784 400 A 420 26 900 A 400 29 500 A 380 61500 A 370 1 135 200 A 360 130 900 (**) A 350 2 041 500 A 350 4 117 800 A 360 2 174 400 A 370 2 444 300 A 360 1 956 000 A 350 6 337 700 A 340 6 670 000 A 380 746 800 A 330 10768000 A 400 165 700 B 340 77 600 B 340 122 700 B 300 13 055 100 (*) B 320 142 600 B 320 87 100 B 300 1 146 100 B 300 10 803 100 (*) éprouvette non cassée (**) initiation de rupture sur défaut de surface Pour l'échantillon A, on observe sur des micrographies après attaque anodique une recristallisation à grains assez fins (diamètre environ 50 m à 100 m). Alloy Stress [MPa] Number of cycles A 300 10 803 100 (*) A 300 12 495 400 (*) A 360 2 784 400 A 420 26 900 A 400 29 500 A 380 61500 A 370 1 135 200 A 360 130 900 ( **) A 350 2 041 500 A 350 4 117 800 A 360 2 174 400 A 370 2 444 300 A 360 1 956 000 A 350 6 337 700 A 340 6 670 000 A 380 746 800 A 330 10768000 A 400 165 700 B 340 77 600 B 340 122 700 B 300 13 055 100 (*) B 320 142 600 B 320 87 100 B 300 1 146 100 B 300 10 803 100 (*) test piece not broken (**) initiation of failure on surface defect For sample A, micrographs after anodic etching show a fairly fine grain recrystallization (diameter about 50 m to 100 m).
A partir de ces barres, on a fabriqué par forgeage des pistons de forme cylindrique. Ils sont finis par usinage. From these bars, cylindrical pistons were forged. They are finished by machining.
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