Alliages de cuivre – Bouts de plongeurs pour l’industrie HPDC

Prix ​​du talent EUROGUSS 2020 Alliages de cuivre – Bouts de plongeurs pour l’industrie HPDC

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Auteur/
Éditeur:
Denis Ariel Avila-Salgado, Arturo Juárez-Hernandez
/ Nicole Kareta

Quels sont les effets des ajouts de Nb et de Zr sur les propriétés mécaniques d’un alliage Cu-Ni-Co-Cr-Si avec différents traitements thermiques? Une étude montre comment des alliages aux propriétés optimales ont été obtenus et des embouts de piston pour HPDC ont été fabriqués avec succès.

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Des études scientifiques sont en cours pour créer l'innovation de nouveaux matériaux à moindre coût avec des propriétés optimales pour l'industrie HPDC.
Des études scientifiques sont en cours pour créer l’innovation de nouveaux matériaux à moindre coût avec des propriétés optimales pour l’industrie HPDC.

Lauréat du prix EUROGUSS Talent

Avec sa thèse finale sur les alliages de cuivre pour la fabrication d’embouts de plongeurs pour l’industrie HPDC, Denis Ariel Avila Salgado a figuré parmi les lauréats de l’EUROGUSS Talent Award. Les lauréats ont été choisis le 14 janvier lors de l’EUROGUSS 2020. Le concours a pour objectif de récompenser des thèses exceptionnelles et les juniors de demain.

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Le moulage sous pression conventionnel est un processus de fabrication en forme de réseau qui utilise un moule métallique permanent qui produit des composants dont le poids varie de quelques grammes à près de 25 kg, l’un des processus les plus productifs. Traditionnellement, le moulage sous pression n’est pas utilisé pour produire de gros produits; des études antérieures ont cependant montré que de très gros produits peuvent être fabriqués, comme une porte de voiture, un cadre ou un boîtier de transmission. Il existe deux classiques de base moulage sous pression à haute pression (HPDC) processus – le processus de chambre chaude et le processus de chambre froide. Les machines à chambre chaude exécutent des temps de cycle plus rapides, cela varie de moins d’une seconde pour les petits composants pesant quelques grammes à trente secondes pour les pièces moulées de plusieurs kilogrammes. Le moulage sous pression à chambre froide est traditionnellement utilisé pour les métaux à basse température de fusion, tels que les alliages de plomb ou de zinc. Les métaux dont la température de fusion est plus élevée, y compris les alliages d’aluminium, provoquent une dégradation rapide du système d’injection de métal, endommageant considérablement la chambre et le piston utilisés pour le processus d’injection de métal en fusion.

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Embouts de piston utilisés dans l’industrie HPDC

Embouts de piston utilisés dans HPDC doivent répondre à certaines caractéristiques en termes de conception et de propriétés mécaniques, notamment leur dureté, leur diffusion thermique et leur résistance à l’usure. Les plongeurs utilisés dans l’industrie HPDC ont subi un changement considérable depuis les années 1960, où ils ont commencé à fabriquer des alliages en fonte qui ont connu une durée de vie utile de 300 à 500 coups, et au début des années 1980, l’alliage a commencé à être mis en œuvre Cuivre – Béryllium (4 000 à 7 000 tirs), comme illustré dans la figure 1. Le cuivre est un élément qui peut être allié avec une variété d’éléments chimiques pour être utilisé dans diverses applications industrielles, pour fournir des solutions aux problèmes de résistance à l’usure, à la corrosion et à la conductivité thermique . Pour améliorer les propriétés tribologiques des alliages de cuivre et dans la plupart des cas, les alliages sont modifiés avec des éléments modifiant le grain et différents traitements thermiques.

Après la coulée, des étapes de traitement supplémentaires sont nécessaires pour conférer aux composants des propriétés spécifiques.

Actuellement, les pistons utilisés dans les machines à injection d’aluminium utilisent une tête en cuivre-béryllium avec une bonne résistance à l’usure. Certains alliages Cu-Be commerciaux sont le C17510 et le C17530, les deux alliages ayant une dureté moyenne de 85 HRB. mais le béryllium est considéré comme un élément toxique causant des problèmes de santé aux travailleurs. L’histoire technologique dans ce domaine doit faire partie du progrès scientifique, et de nouvelles technologies doivent également être appliquées pour aider à évoluer vers une plus grande efficacité et productivité et à améliorer la qualité de la production; prenant les avancées technologiques comme référence, la base de cette recherche est de développer de nouveaux alliages de cuivre sans béryllium avec des propriétés mécaniques et tribologiques identiques ou meilleures à utiliser dans le HPDC.

Expérimentez avec différents traitements thermiques

Les alliages modifiés ont été fondus et dégazés avec de l’azote à une température de 1300 ° C dans un four à induction INDUTHERM TF 4000 et coulés à une température de 1250 ° C dans un moule métallique H13 permanent. Les barres de coulée coulées ont été coupées et ces sections ont subi différents traitements thermiques dans un four électrique, de sorte que le premier échantillon a été le moulage (AC), puis un traitement thermique en solution (TS), deux traitements thermiques vieillissants (TA1 et TA2) ont été donné. Le temps et les températures des différents traitements thermiques sont indiqués dans le tableau 1.

Tableau 1: Conception de l'expérience et identification des échantillons.
Tableau 1: Conception de l’expérience et identification des échantillons.

(Source: Denis Avila)

La caractérisation de la microscopie optique et électronique a été effectuée et l’identification de la phase a été effectuée. Le tableau 2 montre la composition des deux alliages étudiés, mesurée par spectrométrie d’émission optique. La séquence du processus expérimental pour obtenir un plongeur est représentée sur la figure 2. Les mesures de dureté Rockwell B ont été effectuées avec une charge de 100 kg et une bille de 1,58 mm pendant 7 secondes. Chaque échantillon a été testé dix fois selon la norme ASTM E18 et IRAM – IAS U 500-105.

Tableau 2: Compositions conçues et testées des alliages chimiques Cu-Ni-Co-Cr-Si-Nb et Cu-Ni-Co-Cr-Zr,% en poids.
Tableau 2: compositions conçues et testées des alliages chimiques Cu-Ni-Co-Cr-Si-Nb et Cu-Ni-Co-Cr-Zr,% en poids.

(Source: Denis Avila)

Les tests d’usure ont été effectués par un tribomètre à broche sur disque selon la norme ASTM G99, sur la surface préalablement polie sur les éprouvettes avec des conditions de glissement à sec, les tests ont duré 45 min à une vitesse constante de 0,12 m / s et une charge appliquée de poids mort de 30 N, le matériau de la goupille était une bille en acier H13 d’un diamètre de 11 mm. La perte de masse a été obtenue par une méthode géométrique calculant les données mesurées en microscopie coordonnée.

Galerie

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Effets positifs sur la microstructure et la macrostructure

Les alliages étudiés, avec l’ajout d’éléments modifiés et des traitements thermiques augmentent le renforcement des propriétés, ont montré des résultats intéressants, donnant des effets positifs sur la microstructure et la macrostructure, voir figures 3 et 4. Les avantages se reflètent dans l’obtention de valeurs optimales de dureté , augmentant entre 10% et 15% de dureté HRB, augmentant la résistance à l’usure avec de faibles taux de perte de volume de matériau, principalement dans l’alliage contenant du Nb. Ces résultats sont attribués au raffinement des grains, à la cohérence dendritique et aux nouvelles phases précipitées causées par l’ajout de Nb, Zr et les traitements thermiques vieillissants. Le Nb et le Zr favorisent une densité plus élevée de sites de nucléation, la région colonnaire se développe vers le centre jusqu’à atteindre les régions équiaxiales qui nucléent dans le liquide au centre de l’échantillon. La transition de cylindrique à équiaxe se produit près de la paroi du moule H13, après un traitement thermique en solution et ensuite des traitements thermiques vieillissants, certains précipités commencent à se développer dans la limite des grains pour les deux alliages, voir figure 4.

Figure 5: La taille moyenne des cristaux des alliages A1 et A2 avec un traitement thermique différent: échantillon S1 moulé; Échantillon S2 avec traitement thermique en solution; Échantillon S3, S4 avec traitement thermique vieillissant.
Figure 5: La taille moyenne des cristaux des alliages A1 et A2 avec un traitement thermique différent: échantillon S1 moulé; Échantillon S2 avec traitement thermique en solution; Échantillon S3, S4 avec traitement thermique vieillissant.

(Source: Denis Avila)

Taille du cristal (XRD), analyse de la dureté et de l’usure

De manière générale, pour l’ensemble des résultats obtenus par les différents tests, la taille des grains obtenus par XRD peut être corrélée, en appliquant l’équation de Debye Scherrer, présentant les valeurs de la figure 5, où L’alliage A1 a connu les meilleures performances en termes de raffinement des cristaux, a également présenté les meilleurs résultats de dureté (atteignant une augmentation entre 10% et 15% par rapport à l’alliage commercial C17530), et le taux d’usure plus faible, comme le montrent les figures 6 et 7. L’optimisation a été obtenue grâce l’ajout des éléments modifiant le grain et les traitements thermiques appliqués.

Figure 6: Rockwell B mesure la dureté des alliages A1 et A2 avec condition de traitement thermique S3 et alliage commercial Cu-Be (C17530).
Figure 6: Rockwell B mesure la dureté des alliages A1 et A2 avec condition de traitement thermique S3 et alliage commercial Cu-Be (C17530).

(Source: Denis Avila)

Figure 7: Analyse transitoire de la perte de volume (durée d'essai 45 min) des alliages A1 et A2 avec condition de traitement thermique S3 et alliage commercial Cu-Be (C17530).
Figure 7: Analyse transitoire de la perte de volume (durée d’essai 45 min) des alliages A1 et A2 avec condition de traitement thermique S3 et alliage commercial Cu-Be (C17530).

(Source: Denis Avila)

Alliages de cuivre avec optimal

Propriétés mécaniques

Les conclusions de la recherche peuvent être résumées comme suit:

suit:

  • Des alliages aux propriétés optimales ont été obtenus et des embouts de piston pour HPDC ont été fabriqués avec succès, connaissant de bonnes performances dans un atelier de coulée.
  • L’optimisation des propriétés mécaniques a été réalisée de manière satisfaisante, grâce à l’ajout de Nb, Zr et des traitements thermiques appliqués, où l’alliage au Niobium est celui qui confère les meilleures propriétés de dureté et de résistance à l’usure.
  • Les propriétés mécaniques ont été améliorées en raison de la recristallisation, du raffinement des grains, de la cohérence interdendritique (Ni et Si ségrégués dans les régions interdendritiques) et de l’origine de nouvelles phases précipitées dans la matrice de cuivre.

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