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" Perfectionnements aux alliages à base d'aluminium " la présente invention est relative aux alliages à base d'aluminium ayant une dilatabilité relativement faible à la chaleur, et des propriétés mécaniques et physiques avantageuses.
L'importance des alliages d'aluminum possédant une faible dilatabilité à la chaleur, et possédant en même temps les propriétés mécaniques et physiques qui sont requises dans les applications industrielles, a été mise en valeur par l'emploi confina et croissant de ces alliages dans la fabrication des pistons et des pièces analogies pour moteurs. L'aluminium se dilate à la chaleur d'une manière relativement plus grande que lea autres métaux, à l'exception du magnésium, qui sont utilisas dans la construction des moteurs et appa- reils analogues.
Or, étant donné que le fonctionnement .à température élevée fait dilater les pièces d'un mo-
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teur, il est essentiel que la dilatation d'une pièce quelconque soit, au moins comme ordre de grandeur, égale à la dilatation des autres pièces. La diffusion d'un alliage à base d'aluminium possédant une faible dilata- tion à la chalear, propre à donner satisfaction, a été retardée par le fait qu'il semblait que l'on ne pouvait obtenir une faible dilatabilité qu'aux dépens des pro- priétés physiques et mécaniques qui rendent les alliages d'aluminium propres à être utilisés dans la constitution des pistons. Comme on le sait, an piston doit avoir des propriétés physiques de dureté considérable ainsi qu'un degré raisonnable de ténacité.
De plus il est désirable au. point de vue mécanique que l'alliage qui le constitue soit facilement usine, parce que l'asinage est une opéra- tion nécessaire pour donner à un piston coulé ses dimen- sions finales. Jusqu'ici on n'avait pas encore obtenu un alliage à base d'aluminium présentant une combinaison satisfaisante des propriétés de dureté, de résistance, et de facilité d'asinage, en même temps qu'une faible dilatabilité.
On s'est proposé, conformément à la présente inven- tion, d'obtenir an alliage à base d'aluminium se dilatant relativement faiblement à la chaleur$ et possédant, en plus de cette propriété, une combinaison des propriétés de dureté, de résistance, et de facilité d'usinage, sas- ceptibles de subir favorablement la comparaison avec celles que l'on a obtenues jusqu'ici uniquement dans des alliages dont la dilatabilité à la chaleur est relative- ment considérable. On s'est proposé aussi de réaliser un piston formé de cet alliage.
Les alliages à base d'aluminium dans lesquels le silicium et le constituant prédominant de l'alliage (ce silicium existant sensiblement dans la proportion de 3 à 15 %), sont considérés ordinairement comme étant les
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seuls ou l'on peat trouver la combinaison d'une faible dilatabilité à la chaleur et de propriétés mécaniques avantageuses. Cependant d'autres alliages, malgré leur dilatabilité à la chaleur relativement considérable et fâcheuse, sont utilisés plus largement dans la fabrica- tion des pistons, parce que, entre autres raisons, les
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alliages d'all1J11iniam-silicillm ne possèdent pas la dureté' voulue.
De plus, on ne peut donner, même par traitement thermique aux alliages binaires d'alaminiam-siliciam, la dureté généralement exigée pour les pistons en allia- ge à base d' a ll1tniniI1m
La demanderesse a découvert an alliage à base d'ala- minium dans lequel le silicium est le constituant prédo- minant de l'alliage, et qui poss de une dilatabilité fai-
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ble à la chaleur, en même temps que des propriétés méoané- ques et des caractéristiques de facilité d'usinage compa- rables à d'autres alliages du sème genre dont la dilata- bilité à la chaleur est relativement forte.
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Conformément à la présente invention cette cQ"mbinai-, son originale de propriétés est obtenue par l'addition aarc alliages d' all1hinil1111-siliciwn de proportions appropriées des constituants suivants de l'alliage :nickel, magné- sium, et cuivre. cet alliage à base d'aluminium conserve sa faible dilatabilité, caractéristique des alliages bi-
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naires d'all1minil1111-silicillm. mais combine à cette pro- priété une grante dureté et une excellente facilité d'asinage.
Bien que les constituants qai existent dans l'alliage varient de préférence dans des limites relati- vement étroites de façon à satisfaire aux diverses condi- tions dans lesquelles on peut utiliser les alliages à base-,4-.' d'alaminiam de faible dilatabilité à la chaleur, cependant@..
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on peut faire varier ces constituants dans des limites / 1 j relativement étendues sans affaiblir la faible d1lata'b1l1':" ' té à la chaleur ou sans perdre la dureté essentielle de l'alliage.
En faisant asage des procédés bien connus de
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traitements calarifique, on fera varier dans des propor- tions considérables la dareté de l'alliage sans altérer notablement son coefficient de dilatation à la chaleur.
Bien que les alliages découverts par la demanderes- se trouvent, de par leur nature et leur constitution, leus applications les plus étendues dans la fabrication des pistons, des culasses de cylindres et autres pièces cou- lées a@@logues, il existe aussi, dans les limites de com- position qui seront indiquées ;plus loin, des alliages qui sont susceptibles d'être forgés ou travaillés d'une ma- nière analogue de façon à donner des articles tels que des bielles. Pour ces applications et pour des applications analogues, les alliages en question, en raison de leurs propriétés nomvelles, sont particulièrement utiles.
Les limites dans lesquelles peuvent varier les cons- tituants que l'on ajoute, dépendront considérablement de la combinaison de propriétés que l'on désire,la daman.- deresse a constaté qu'environ 7 à 15% de silicium, 0,2 à 3 % de magnésium Q,5 à 7 % de nickel, et 0,3 à 7 % de caivre sont les limites dans lesquelles on peut obtenir des alliages ayant une importance pratique; la teneur en aluminium ne sera habituellement pas moindre que 80% envi ron. La teneur en silicium est généralement comprise en- tre 10 et 15 % lorsque l'alliage possède une faible dila- tbbilité à la chaleur.
Dans certaines conditions on peut ajouter moins de 10 %, mais on a alors un accroissement de la dilatabilité à la chaleur, De même une teneur élevée en silicium, allant même jusqu'à 25 % peut exister, si la facilité d'usinage n'est pas une considération de prerniè- re importance. La demanderesse a constaté que des propor- tions de silicium comprises entre 10 et 15% environ don- nent habituellement un alliage convenant remarquablement aux conditions de la pratqae commerciale, mais lorsqu'il
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est possible de négliger une médiocre facilité d'ysunage.
ou lorsqu'il est possible d'employer des outils spéciaux permettant de travailler les alliages qui ne sont usina- bles commercialement avec des outils en acier ordinaire, on peut employer des alliages contenant jusqu'à 25% environ de silicium. La proportion de magnésium ajouté à l'alliage dépend aussi des propriétés que l'on désire.
La présence de magnésium accroît la dureté que l'on peut obtenir par traitement thermique et,l'on a aussi consta- té que la facilité d'usinage de l'alliage est également améliorée par le magnésiam. cependant des teneurs plus élevées que 1 à 1,5 % de magnésium ne permettent pas en général d'améliorer ces propriétés plus que ne le permet- tent des teneurs plus faibles, parce que l'alliage de- vient plus cassant lorsqu'on augmente la teneur en mak gnésiam. De préférence on ajoute 0,2 à 1 % de magnésium, . et cette proportion donne généralement le meilleur résul- tat.
.La proportion de nickel que l'on ajoute avec avanta- - ge à l'alliage peut varier dans des limites relativement . grandes. La demanderessea constaté que le nickel amélio- re la facilité d'asinage de l'alliage, diminue sa dilata- bilité à la chaloir et acroît la dureté initiale. Pour certains usages , on peut ajouter du nickel à une tensur aussi forte que 7 $ et aussi basse que 0,5 % mais la de- manderesse a vérifié que sa présence dans la proportion de 2 à 5 % donne les résultats les plus avantageux.
Des' teneurs plus élevées en nickel, tout en améliorant la faci- lité d'usinage, et en continuent à faire décroître la di- latabilé à la chaleur, tendent à rendre l'alliage cassant ' et, lorsque la résistance on la ténacité ont de l'importan- ce, une teneur supérieure à 4 à 5 % n'est pas désirable., D'antre part, avec des proportions pins faibles de nickel,, l'effet avantageux de sa présence s'affaiblit quelque peu
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Bien que les alliages à base d'aluminium qui contien- nent du silicium, du magnésium et du nickel comme consti- tuants additionnels, possèdent des propriétés très sapé- rieures aux alliages connus ayant une faible dilatabilité à la chaleur,
on a constaté que les propriétés de ces al- liages peuvent être améliorées considérablement par l'ad- dition du cuivre. Des proportions considérables de cuivre augmentent notablement les difficultés d'usinage et pro- voquent par exemple l'usure des outils; peur cette raison elles sont généralement indésirables.
Cependant la dure- té initiale de l'alliage et la dureté obtenue par traite- ment thermique sont notablement augmentées, à un degré inattendu, par l'addition d'une faible proportion de cui- vre, Par exemple, avec des traitements thermiques équiva- lents, an alliage contenant 14 %, de silicium, environ 2 % de nickel et 1 % de magnésium aura une dureté Brinell aussi basse que 85, tandis qu'un alliage contenant des proportions égales de silicium;
de nickel et de magnésium, mais avec une petite proportion de cuivra, aura, dans des conditions analogues, une dureté Brinell plus élevée de 15 à 25 points que celle que l'on vient d'indiquer, Cet accroissement de la dureté est très désirable parce qu'on peut l'obtenir sans que l'alliage devienne nette- ment plus cassant, sans augmenter les difficultés d'usi- nage, et sans accroître la dilatabilité à la chaleur.
Conformément à la présente invention, 1$. cuivre sera de préférence ajouté sa petite proportion, habituellement sous une teneur de 0,5 à 2 %, mais, lorsque la facilité d'usinage ne sera pas un facteur décisif, ou lorsqu'on pourra employer des outils d'usinage spéciaux, la teneur en cuivre ajoutée pourra s'élever jasqai à 7 % environ.
Un alliage à base d'aluminium, que la demanderesse a trouvé spécialement approprié aux besoins commerciaux pour la fabrication des pistons, contient environ 14 %
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de silicium, 2 % de nickel, 1 % de magnésium.et 0,75% de cuivre. D'autres constituants;de l'alliage, tels que le fer que l'on rencontre généralement comme imppreté dais les alliages à forte teneur en silicium, peuvent exister dans les proportions où on les trouve habituellement,dans les lingots commerciaux de bonne qualité, sans qu'ils affectent d'ane manière appréciable les propriétés es- sentielles de l'alliage. En général il est désirable d'u- tiliser un aluminium commercial de bonne qualité pour la fabrication de l'alliage .
Cependant on peat employer aussi an aluminium ayant un moindre degré de pureté et également an aluminium extrêmement par. L'absence ou la présence des impuretés que l'on rencontre communément dais les aluminiums commerciaux de grande pureté ne semble pas produire de changement sensible dans les propriétés essentielles de l'alliage.
Le coefficient de dilatation thermique d'un alliage particulièrement avntageux obtena conformément à la présente invention, est environ 19 x 10-6 par degré centigrade pour un intervalle de température compris entre 20 et 100 degtés. Par comparaions le coeffi- cient de dilatation d'un alliage à base d'aluminium con- tenant environ 10 % de cuiyre est 22 x 10-6. c'est-à-dire que ce coefficient est sensiblement supérieur de 15 % à celai de l'alliage précédent.
En réalité l'alliage par-.' :t'actionné conforme à la présente invention possède une dilatabilité à la chaleur considérablement inférieure à celle des alliages à base d'aluminium connus possédant des propriétés mécaniques et une facilité d'usinage ana- " logaes.
Un alliage à base d'aluminium contenant 14 % de silicium, 2 % de nickel, 1 % de magnésium et 0,75 % de enivre, possède une dareté Brinell de 85 environ à l'état coulé. Cette dureté peat être augmentée par un traitement
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thermique approprié, jusqu'à atteindre environ 125 à
130, ce qui est une dureté sensiblement égale ou supérieu- re à celle des alliages à base d'aluminium ayant une for- te dilatabilité à la chaleur, par exemple un échantillon de ce dernier alliage a été soumis à an traitement de fasion c'est-à-dire a été maintenu, pendant 2 heures à
530 pour amener ces c9onstituants de l'alliage en s ola- tion pais rapidement refroidi à la température ambiante,
puis enfin, vieilli par un nouveau chauffage entre 125 et 1500 pendant une durée de 25 heures environ. Après cas traitements l'alliage avait une dureté Brinell de
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L'alliage d'aluminium conforme à la présente inven- tion, contenant du silicium, du nickel, du magnésium et da suivre présente divors avantages bien nets par rapport aux alliages à base d'aluminium atilisés jusqu'ici à la fabrication des pistons et des pièces analogues. Il pos- sède une faible dilatabilité à la chaleur combinée à la dareté qui est requise pour les pistons et poar les pièce analogues. De plus il peut être usiné commercialement, ce qai élimine an des principaux défauts des alliages alaminium-siliciam et aluminium-cuivre-silicium, qui ont été utilisés jusqu'ici lorsqu'on désirait une faible dilatation à la chaleur et une dureté considérable.
Un avantage supplémentaire de cet alliage conforme à la pré- sente invention consiste en ce qu'il est sensiblement plus léger (de 10 % environ pour la composition la plus avan- tagease) que l'alliage à 10 % de cuivre qui est utilisé très largement dans la fabrication des pistons.
On a mentionné ci-dessus l'addition d'éléments d'al- liages autres que le silicium, le nickàl, le magnésium et le cuivre, il est quelquefois nécessaire d'ajouter certaines proportions d'autres constitnants afin de modi-
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fier les propriétés de l'alliage et de le rendre parti- culièremet propre à la fabrication d'objets autres que les pistons et pièces analogues. Par exemple on pourra ajouten du manganèse, du chrome, da titane et des éléments d'alliage analogies afin d'obtenir certaines propriétés particulières que l'on peut désirer en plus de celles que possède l'alliage.
De même d'autres constituants pourront être ajoutés à l'alliage pour un objet spécial, sans détruire ses propriétés essentielles de faible dila- tabilité à la chaleur et de grande dureté. On doit compren- dre que la présente invention peut être 'mise en oeuvre en fabriquant d'autres alliages que ceux qui ont été dé- crits spécialement, et cela tout en restant dans l'esprit de la dite invention.