PROCEDE DE TRAITEMENT THERMIQUE D'UNE PIECE MASSIVE EN ALLIAGE D'ALUMINIUM COULEE SOUS PRESSION [0001 La présente invention concerne un procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'aluminium coulée sous pression. L'invention concerne en outre une pièce en alliage d'aluminium coulée sous pression puis traitée thermiquement, et un véhicule comportant une telle pièce traitée. [0002] Pour des problèmes de masses de pièces, par exemple dans le domaine de l'automobile, des pièces en alliage d'aluminium sont préférées aux pièces en acier ou en fonte. En outre pour des raisons de coût de fabrication, les pièces en alliage d'aluminium sont généralement obtenues par moulage sous pression. Cependant de telles pièces en alliages d'aluminium ne possèdent pas de propriétés mécaniques comparables à celles de l'acier ou de la fonte. Ces différences de propriétés mécaniques empêchent la substitution de toutes les pièces en acier ou en fonte par des pièces en alliage d'aluminium coulées sous pression. [0003] Ces pièces ainsi coulées sont susceptibles de présenter des occlusions gazeuses. Ces occlusions gazeuses sont susceptibles de former des cloques lors d'un traitement thermique de durcissement conventionnel. [0004] Le document WO-A-2006/066314 décrit un procédé de traitement thermique de pièces en alliage d'aluminium coulées sous pression. Ce procédé de traitement comprend une étape de mise en solution d'une durée inférieure à 30 minutes. Un tel procédé ne permet cependant pas un gain en terme de propriétés mécaniques pour toutes pièces en alliage d'aluminium, particulièrement pour les pièces massives qui présentent une forte inertie thermique. [0005] Il existe donc un besoin pour un procédé permettant l'obtention de pièces massives en alliage d'aluminium coulées sous pression et ayant des propriétés mécaniques comparables à celle de l'acier ou de la fonte. [0006] Pour cela, l'invention propose un procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'aluminium coulée sous pression comprenant : - la mise en solution de la pièce dans un four de mise en solution à une température en dessous du solidus de l'alliage, pendant laquelle la pièce est maintenue à une température de mise en solution isotherme pour une durée d'au moins 10 minutes ; ^ la trempe de la pièce ; - le revenu de la pièce trempée ; la pièce étant introduite dans le four de mise en solution à une température intermédiaire, la température intermédiaire étant inférieure à la température de mise en solution et supérieure à la température ambiante à l'extérieur du four de mise en solution. [0007] Selon une variante, l'introduction de la pièce dans le four de mise en solution à une température intermédiaire est réalisée à l'aide d'un four intermédiaire ou d'une étuve à une température inférieure à la température de mise en solution et supérieure à la température ambiante, le temps de transfert de la pièce entre le four intermédiaire et le four de mise en solution étant de préférence inférieur ou égal à 10s. [0008] Selon une variante, l'introduction de la pièce dans le four de mise en solution à une température intermédiaire est réalisée par un transfert de la pièce coulée depuis le moule de coulée jusqu'au four de mise en solution, avant que la température de la pièce n'atteigne l'équilibre thermique à la température ambiante, le temps de transfert de la pièce entre le moule et le four de mise en solution étant de préférence inférieur ou égal à 30s. [0009] Selon une variante, la température intermédiaire d'introduction de la pièce dans le four de mise en solution est comprise entre 250°C et 350°C. [0010] Selon une variante, la température intermédiaire d'introduction de la pièce dans le four de mise en solution est inférieure à la température de cloquage de l'alliage d'aluminium. [0011] Selon une variante, le four utilisé pour la mise en solution est un four choisi dans le groupe comprenant un four à lit fluidisé, un four à bain de sel, un four à bain de plomb et un four à bain d'huile. [0012] Selon une variante, le procédé comprend au moins l'une des caractéristiques suivantes : - le four utilisé pour la mise en solution est à une température entre 20°C et 150°C en dessous du solidus de l'alliage ; - la mise en solution a une durée inférieure à 45 minutes, de préférence inférieure à 30 minutes ; - la trempe de la pièce s'effectue de la température de mise en solution de l'alliage à une température entre 0°C et 100°C ; - le revenu de la pièce trempée s'effectue à une température entre 130°C et 250°C. [0013] Selon une variante, la pièce est en alliage d'aluminium, de préférence du type AISi9Cu3(Fe). [0014] L'invention se rapporte aussi à une pièce en alliage d'aluminium obtenue par moulage sous pression, la pièce étant traitée thermiquement par le procédé de traitement thermique précédent. [0015] Selon une variante, la pièce a une masse supérieure à 500g de préférence supérieure à 10kg. [0016] Selon une variante, la pièce est choisie dans le groupe comprenant un carter chapeau de paliers vilebrequin, un carter de boîte de vitesses, un support et un carter cylindres. [0017] L'invention se rapporte en outre à un véhicule comprenant un moteur ou une boîte de vitesses, le véhicule comportant au moins la pièce précédente. [ools] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence à la figure unique qui montre un carter cylindres coulé sous-pression susceptible d'être traité thermiquement par le procédé proposé. [0019] Il est proposé un procédé de traitement thermique d'une pièce en alliage d'aluminium coulée sous pression. Le procédé de traitement thermique contient tout d'abord la mise en solution de la pièce dans un four. Le four de mise en solution est maintenu à une température de mise en solution inférieure au solidus de l'alliage. La pièce est alors maintenue à une température isotherme pour une durée d'au moins 10 minutes. L'introduction de la pièce dans le four de mise en solution est réalisée à une température de la pièce inférieure à la température de mise en solution et supérieure à la température ambiante à l'extérieur du four de mise en solution. La mise en solution est ensuite suivie de la trempe de la pièce. Et la trempe de la pièce est suivie du revenu de la pièce. [0020] Ce traitement thermique permet l'obtention de propriétés mécaniques pour des pièces massives en alliages d'aluminium comparables à celles d'autres matériaux tels que l'acier ou la fonte. [0021] Ces pièces massives en alliage d'aluminium traitées selon l'invention remplacent alors les pièces massives traditionnellement en acier ou en fonte. Le remplacement de pièces en acier ou en fonte permet un gain en masse tout en assurant des propriétés mécaniques équivalentes. Ce gain en masse est particulièrement utile lorsque de telles pièces sont embarquées ou composent un véhicule. [0022] Ce procédé permet en outre de remplacer la présence d'inserts ferreux dans des pièces déjà réalisées en alliage d'aluminium mais insuffisamment résistantes. De telles pièces sont alors entièrement remplacées par des pièces en alliage d'aluminium traitées thermiquement suivant le procédé. Le remplacement de pièces avec des inserts par des pièces entièrement en alliage d'aluminium permet de diminuer le coût de fabrication de ces pièces. [0023] Le procédé est proposé pour des pièces réalisées en alliages d'aluminium.
Les pièces en alliage d'aluminium remplacent avantageusement les pièces en alliage de fer dans un objectif de légèreté. [0024] Le procédé est en outre proposé pour des pièces coulées sous pression. Le moulage sous pression est un procédé préféré pour la production en masse et à moindre coût de pièces ayant une bonne précision dimensionnelle. [0025] Le procédé de traitement thermique comprend une étape de mise en solution. Cette mise en solution s'effectue dans un four à une température inférieure au solidus de l'alliage. La température de mise en solution inférieure au solidus de l'alliage permet d'éviter la fusion de la pièce lors du traitement thermique. [0026] L'étape de mise en solution entraîne en outre une mise en solution solide des éléments d'alliage de la pièce coulée. La mise en solution solide permet par exemple de dissoudre les différents métaux ou les éléments d'addition, composant l'alliage d'aluminium. La pièce est laissée dans le four de mise en solution le temps nécessaire pour obtenir la structure et l'homogénéisation voulues de l'alliage d'aluminium. [0027] La pièce est maintenue à une température isotherme lors de l'étape de mise en solution pendant une durée d'au moins 10 minutes. Cette durée de maintien isotherme permet une configuration thermique homogène de la pièce. Cette configuration thermique homogène de la pièce rend possible une amélioration uniforme des propriétés mécaniques de l'alliage de la pièce. L'uniformité des propriétés mécaniques de l'alliage entraîne une amélioration des propriétés mécaniques de la pièce dans son ensemble. [0028] La pièce est introduite dans le four de mise en solution à une température intermédiaire. Cette température intermédiaire est inférieure à la température du four de mise en solution. Par ailleurs cette température intermédiaire est supérieure à la température ambiante à l'extérieur du four de mise en solution. La température ambiante à l'extérieur du four de mise en solution correspond par exemple à la température ambiante de l'air soit 20°C. [0029] L'étape de mise en solution est suivie d'une étape de trempe de la pièce.
Cette trempe est un refroidissement brutal de la pièce. Un tel refroidissement brutal permet de figer la structure particulière obtenue lors de la mise en solution. La combinaison de la mise en solution et de la trempe permet en définitive de conférer une structure particulière à la pièce en alliage d'aluminium. Une telle combinaison permet par exemple de maintenir à la température ambiante une solution solide d'alliage d'aluminium sursaturée en éléments d'addition. Une telle solution sursaturée est normalement métastable à température ambiante. Cette structure particulière obtenue sert d'état de base pour une autre étape du traitement thermique. [0030] Le procédé de traitement thermique comprend enfin une étape de revenu ou maturation. Une pièce en alliage d'aluminium brut de trempe a de très faibles propriétés mécaniques. L'étape de revenu permet d'obtenir une amélioration des propriétés mécaniques de cette pièce. L'étape de revenu, peut être effectuée à température ambiante. L'étape de revenu peut encore être effectuée selon le traitement thermique de type T6, c'est-à-dire que le revenu est maximal pour obtenir la dureté optimale. [0031] Le moulage sous pression de pièces en alliage d'aluminium peut entraîner la formation de défauts à l'intérieur des pièces. Un nombre important de défauts engendre une mauvaise santé interne des pièces. Ces défauts sont par exemple des occlusions de gaz du type air, ou résidus de décomposition du poteyage. Lors de l'application d'un traitement thermique conventionnel de durcissement d'un alliage d'aluminium, les gaz présents dans ces occlusions sont dilatés. La dilatation des gaz peut alors entraîner la déformation de la paroi extérieure des pièces par la formation de cloques. Par exemple à partir d'une température de 400°C, la résistance mécanique de certains alliages d'aluminium peut être suffisamment affaiblie et ne permet pas d'empêcher la formation de cloques. Une telle température correspond à la température de cloquage de l'alliage d'aluminium. [0032] L'introduction de la pièce à une température intermédiaire permet d'augmenter la vitesse de montée en température de la pièce dans le four de mise en solution. Ceci est particulièrement utile pour les pièces massives telles que les carters cylindres où l'équilibre thermique de la pièce peut être plus long à atteindre que pour des pièces moins massives. La figure unique montre la pièce 20 susceptible d'être traitée thermiquement en forme de carter cylindres. On peut ainsi obtenir une durée de maintien isotherme de la pièce 20 dans le four de mise en solution supérieure à 10 minutes tout en limitant la durée totale de l'étape de mise en solution. [0033] Une telle limitation de la durée de l'étape de mise en solution permet d'éviter une dilatation trop importante des gaz contenus dans des occlusions de la pièce 20 moulée sous pression. La limitation de la durée de l'étape de mise en solution prévient ainsi la formation de cloques diminuant les propriétés mécaniques de la pièce 20 en alliage d'aluminium coulée sous pression. Dans ce but, la durée de l'étape de mise en solution est de préférence inférieure à 45 minutes. [0034] L'étape de mise en solution peut être réduite à 30 minutes. Une telle réduction de la durée de cette étape permet de traiter thermiquement des pièces coulées sous pression qui présentent une mauvaise santé interne. Ces pièces à mauvaise santé interne présentent un plus grand nombre d'occlusions renfermant des gaz. Il est donc utile de prévoir une durée de mise en solution plus courte pour ces pièces qui présentent un plus grand risque de formation de cloques lors du traitement thermique. [0035] Pour limiter la formation de cloques à la surface de la pièce 20-avant la mise en solution, la température intermédiaire d'introduction dans le four peut être choisie inférieure à la température de cloquage de l'alliage d'aluminium. Idéalement la température intermédiaire d'introduction de la pièce 20 dans le four de mise en solution est comprise entre 250°C et 350°C. [0036] L'introduction de la pièce 20 dans le four de mise en solution à une température intermédiaire peut être par exemple réalisée à l'aide d'un four intermédiaire. Le four intermédiaire permet un préchauffage de la pièce 20 à une température inférieure à la température de mise en solution et supérieure à la température ambiante. La pièce 20 étant préchauffée, le temps de montée en température de la pièce 20 une fois introduite dans le four de mise en solution est réduite. Le four intermédiaire peut être remplacé par une étuve. [0037] II est préféré que le temps de transfert de la pièce 20 entre le four intermédiaire et le four de mise en solution soit inférieur ou égal à 10s. Ainsi la température de la pièce 20 sortant du four intermédiaire ne baisse pas significativement avant son introduction dans le four de mise en solution. L'introduction de la pièce 20 dans le four de mise en solution à une température intermédiaire peut aussi être réalisée par le transfert de la pièce 20 directement depuis le moule dans lequel la pièce 20 a été coulée jusqu'au four de mise en solution. On évite ainsi que la température de la pièce 20 n'atteigne l'équilibre thermique à la température ambiante. En conséquence, on bénéficie de la température intermédiaire de la pièce 20 qui vient d'être coulée pour diminuer le temps de montée en température de la pièce 20 dans le four de mise en solution. [0038] Par ailleurs, il peut être préférable de réaliser le dégrappage de la pièce 20 entre le démoulage de la pièce 20 et son introduction dans le four de mise en solution de manière à avoir une montée en température de la pièce 20 plus rapide lors de la mise en solution. [0039] II est préféré que le temps de transfert de la pièce 20 entre le moule et le four de mise en solution soit inférieur ou égal à 30s. [0040] Le procédé de traitement thermique tel que précédemment décrit limite la formation de cloques dues à la présence de gaz dans la pièce 20 coulée sous pression. Ces cloques ont un impact néfaste sur la stabilité dimensionnelle et sur les propriétés mécaniques des pièces coulées et par conséquent sur la tenue mécanique des pièces. L'apparition de telles cloques empêche ainsi l'amélioration des propriétés mécaniques normalement conférée par le traitement thermique de la pièce 20. Ce procédé de traitement thermique permet en définitive l'amélioration globale des propriétés mécaniques de la pièce 20 en alliage d'aluminium coulée sous pression. [0041] En particulier ce procédé permet une amélioration des propriétés mécaniques telles que la résistance à la rupture, la résistance élastique à 0,2%, l'allongement à la rupture et limite de fatigue polycyclique. Plus particulièrement ce procédé permet une amélioration de l'ordre de 100% de la résistance élastique à 0,2% précédemment mentionnée. [0042] De préférence l'étape de mise en solution s'effectue dans un four possédant un meilleur coefficient de transfert thermique que les fours conventionnels à air. Ainsi on préférera utiliser des fours dont le coefficient de transfert thermique est supérieur à 300 W.m-2.K-1. L'utilisation d'un four à coefficient thermique supérieur à 300 W.m-2.K-1 permet une montée en température plus rapide de la pièce 20 lors de la phase de mise en solution. Une telle montée en température plus rapide entraîne une diminution de la durée totale d'enfournement lors de l'étape de mise en solution. L'étape de mise en solution est alors plus courte tout en laissant une durée de maintien isotherme de la pièce 20 supérieure à 10 minutes. Le maintien de la durée minimum de maintien isotherme permet de s'assurer de l'amélioration des propriétés mécaniques. [0043] De préférence encore on utilisera un four de mise en solution avec un coefficient de transfert thermique entre 500 et 1800 W.m-2.K-1. L'utilisation d'un tel four permet une montée en température encore plus rapide de la pièce 20 lors de la mise en solution. L'étape de mise en solution étant globalement plus courte, cela entraîne des gains économiques dans la fabrication notamment par l'amélioration de la cadence. [0044] On préférera enfin l'utilisation d'un four à coefficient à transfert thermique compris entre 500 et 700 W.m-2.K-1. [0045] Une réduction de la durée de montée en température de la pièce 20 lors de l'étape de mise en solution est encore possible par l'utilisation de fours spécifiques.
De tels fours spécifiques sont par exemple des fours à lit fluidisé, des fours à bain de sel, à bain de plomb ou d'huile. [0046] La température de réalisation de l'étape de mise en solution est de préférence comprise entre 20°C et 150°C en dessous du solidus de l'alliage. La température de mise en solution supérieure à 150°C en dessous du solidus de l'alliage permet une amélioration des propriétés mécaniques et une bonne homogénéisation de la pièce. Une telle température de mise en solution permet en outre d'obtenir l'amélioration des propriétés mécaniques et/ou l'homogénéisation voulue avec une durée de l'étape de mise en solution relativement courte. [0047] La température de mise en solution inférieure à la température de 20°C en dessous du solidus de l'alliage permet d'éviter la brûlure de l'alliage. En effet, si la température de mise en solution est trop proche du solidus, l'alliage peut atteindre une température de fusion partielle d'un des constituants de l'alliage. Cette brûlure altère les propriétés mécaniques de l'alliage et donc de la pièce 20 réalisée dans un tel alliage. Une telle limitation de la température de la mise en solution l'alliage permet en outre d'éviter la formation trop rapide de cloques due à une plus grande dilatation des gaz présents dans la pièce 20. [0048] L'étape de trempe peut être réalisée à l'aide d'un fluide de trempe. L'étape de trempe s'effectue de préférence de la température de mise en solution de l'alliage à une température entre 0°C et 100°C. La trempe à une température entre 0°C et 100°C permet un meilleur figeage de la structure obtenue lors de la mise en solution. L'utilisation d'une température de trempe entre 0°C et 100°C permet en outre l'utilisation de l'eau comme fluide de trempe. L'utilisation de l'eau est préférable à un fluide de trempe tel que l'huile. En effet l'utilisation de l'eau comme fluide de trempe entraîne une amélioration des coûts de l'étape de trempe. Ensuite l'utilisation d'eau comme fluide de trempe permet aussi un meilleur respect des contraintes environnementales. [0049] L'étape de revenu de la pièce 20 trempée s'effectue de préférence à une température entre 130°C et 250°C. Cet intervalle de température de revenu permet une amélioration plus rapide des propriétés mécaniques de l'alliage qu'une maturation effectuée à température ambiante. En définitive, l'utilisation de cet intervalle de température permet une amélioration des propriétés mécaniques suffisantes de la pièce 20 après revenu. [0050] L'alliage d'aluminium est de préférence de la famille des Aluminium Silicium. [0051] Ce procédé permet d'appliquer un traitement thermique T4, T6 ou T7 directement sur des pièces 20 massives en AISi9Cu3(Fe) coulées sous pression. Grâce à ce traitement thermique, les propriétés mécaniques de l'alliage AISi9Cu3(Fe) coulé sous-pression sont nettement améliorées et, par conséquent, la tenue de ces pièces 20 est nettement renforcée. Les alliages de ce type sont de plus des alliages dont le coût de fabrication est économique. [0052] II est ensuite proposé une pièce 20 en alliage d'aluminium obtenue par moulage sous pression traitée thermiquement selon le procédé de traitement thermique précédemment décrit. L'utilisation de ces pièces 20 traitées selon le procédé précédemment décrit permet le remplacement de pièces 20 réalisées généralement en fonte à graphite lamellaire. De plus l'ensemble de la pièce 20 en alliage d'aluminium coulée sous pression ainsi traitée bénéficie de l'augmentation des propriétés mécaniques. On peut ainsi également réduire localement les épaisseurs de la pièce 20 tout en gardant la même résistance au niveau de la structure. En outre le gain au niveau de l'allégement des pièces 20 en alliage d'aluminium ainsi traitées peut être de l'ordre de plusieurs kilogrammes. En définitive ces pièces traitées permettent un gain de masse pour des propriétés mécaniques équivalentes. [0053] De préférence les pièces 20 seront des pièces dont la masse est supérieure à 500g. [0054] Les pièces traitées 20 peuvent être des pièces massives, c'est-à-dire des pièces de masse supérieure à 10kg. Le procédé proposé permet le maintien de la pièce massive 20 dans le four de mise en solution à une température isotherme pour une durée d'au moins 10 minutes tout en limitant le temps total que passe la pièce massive 20 dans le four de mise en solution. [0055] De plus pour pouvoir appliquer ce traitement thermique à des pièces massives, il n'est pas nécessaire que ces pièces soient coulées avec un procédé de fonderie garantissant l'absence de soufflures dans les pièces. Un tel procédé correspondait classiquement au procédé de moulage gravité, de forgeage liquide (correspondant au squeeze-casting en anglais) ou encore de rhéomoulage. Par conséquent, les pièces massives 20 telles que les carters cylindres pourront continuer à être coulées en sous-pression. [0056] Les pièces traitées 20 thermiquement selon le procédé précédemment décrit sont en particulier les pièces soumises à des critères exigeants lors du dimensionnement mécanique. Les pièces traitées 20 peuvent ainsi être des pièces dimensionnées en statique ou en fatigue. Les pièces traitées 20 thermiquement selon le procédé précédemment cité possèdent alors les propriétés mécaniques suffisantes pour permettre un dimensionnement économique. [0057] Plus particulièrement les pièces traitées 20 sont des pièces du type carter chapeau paliers vilebrequin, carter de boîte de vitesse, carter cylindres (dont la masse peut être environ de 15kg) ou pièces de support moteur dont le dimensionnement en fatigue est particulièrement recherché. Ces pièces 20 peuvent être réalisées principalement en alliage d'aluminium pour des questions de légèreté. Cependant certaines parties de ces pièces 20 sont soumises à des contraintes telles que l'on peut préférer l'adjonction d'inserts ferreux sur ces endroits. L'utilisation de pièces en alliages d'aluminium traités selon l'invention permet alors de s'affranchir de l'utilisation d'inserts ferreux dans ce type de pièces. La réalisation de ces pièces 20 est alors facilitée en terme de temps et de coût de fabrication. [0058] Particulièrement les carters chapeau de paliers vilebrequin présentent en fonctionnement des zones à risques comme la zone de paliers de vilebrequin. L'utilisation d'inserts ferreux en fonte ou en acier fritté insérés à la coulée est alors évitée entraînant des gains en poids et en prix de la pièce. L'augmentation des propriétés mécaniques de l'alliage d'aluminium remplaçant les inserts ferreux dans les carters chapeau de paliers vilebrequin est aussi profitable aux autres zones sollicitées mécaniquement de la pièce. [0059] Enfin un véhicule comportant une ou des pièces 20 réalisées en alliage d'aluminium coulées sous pression est un véhicule dont le temps et les coûts de fabrication sont diminués. De plus un tel véhicule est plus léger et possède donc une consommation plus économique.