Potentialité du thixomoulage associé à un traitement par impact pour la fabrication d’un disque de roue d’automobile

Weight reduction through thixocasting associated with shot peening

¹ Centre de Technologies Michelin, Clermont-Ferrand, France
² Aluminium Pechiney, France

Résumé

Cette communication a pour objet une étude d’allègement appliquée à un disque de roue d’automobile. Après avoir évalué les potentialités des principales solutions matériau-procédé existantes et émergentes, il s’avère que le thixomoulage des alliages d’aluminium ressort comme solution très attrayante en terme de changement d’asymptote “Allègement-Liberté de style-Coût” Les performances des pièces thixomoulées sont comparées aux spécifications des constructeurs d’automobiles dans les domaines de la métallurgie, de l’état de surface, de la tenue à la fatigue et aux chocs et de la résistance à l’ambiance du revêtement de protection. Ces performances sont également comparées à celles de pièces de référence, identiques, moulées Basse Pression ou forgées. La tenue en fatigue plus faible que prévu des disques thixomoulés (Lf = 120 MPa à 6 × 10⁶ cycles), due à une maîtrise insuffisante de la qualité de surface, n’a pas permis d’atteindre la performance d’allègement recherchée. Sur le plan économique, pour le dessin de disque choisi, le thixomoulage est moins compétitif que le moulage coquille Basse Pression.

Afin de se rapprocher de la cible d’allègement escomptée, (20 % par rapport à la meilleure solution de référence), des traitements de précontrainte de surface par impact ont été mis en œuvre avec une intensité Almen F23-F30A, compatible en rugosité de surface avec les revêtements de protection et de décoration homologués par les constructeurs. Ainsi traités, les disques thixomoulés présentent des résistances à la fatigue bien supérieures aux attentes, conduisant à des potentiels d’allègement, confirmés par l’expérience, pouvant dépasser 40 %.

Cependant, pour nombre d’entre eux, aucune amélioration n’est enregistrée. Des états de surface non conformes avant shot peening permettent d’expliquer ce phénomène. Il est démontré que les contraintes résiduelles de compression présentent une stabilité adéquate et impérative pour résister aux sollicitations thermomécaniques auxquelles sont soumis les disques de roue. Il est également vérifié que le traitement par impact n’a pas d’effet négatif sur la résistance à l’ambiance du revêtement de protection des disques de roue ni sur leur tenue au choc. Ces premiers résultats laissent entrevoir, grâce aux traitements de précontrainte, plusieurs solutions homologables et industrialisables bien positionnées en terme de cible “Coût-Allègement-Liberté de style”. Le thixomoulage et, plus encore, le rhéomoulage présentent le meilleur potentiel à condition de maîtriser la qualité de surface des pièces.

Abstract

The subject of this paper is a study of weight reduction applied to an automobile wheel disc. After assessing the potential of the main existing and emerging material-process solutions, it turns out that thixocasting of aluminium alloys is a very attractive solution in terms of changing the asymptote “Weight Reduction-Freedom of Style- Cost”. The performance levels of thixocast parts are compared with the specifications of automobile manufacturers in the fields of metallurgy, surface finish, fatigue and impact resistance and ambience tests resistance of the protective coating. These performance levels are also compared with those of identical reference parts produced by low- pressure casting or forging. The fatigue resistance observed on our prototypes, which is lower than expected from the thixocast discs (Lf = 120 MPa at 6 × 10⁶ cycles) due to insufficient control of the surface finish, did not enable the required weight reduction to be achieved. In economic terms, for this disc, originally designed to be forged, thixocasting is less competitive than low-pressure permanent mould casting.

In order to get closer to the required weight reduction (20% compared with the best reference solution), surface prestressing by shot peening was implemented with an Almen intensity F23-F30A, compatible in terms of surface roughness with the protective and decorative coatings certified by vehicle manufacturers,. When treated in this way, thixocast discs show high endurance limits, leading to potential weight reduction which may exceed 40% but for many of them, no improvement is recorded.

This phenomenon can be explained by non-compliant surface finishes before shot peening. It is demonstrated that the residual compressive stresses show the appropriate stability required to resist the thermomechanical stresses to which wheel discs are subjected. It is also verified that shot peening does not alter the coating’s properties to provide efficient environmental resistance. These initial results point to several certifiable and industrializable solutions using such prestressing treatments which are well-positioned in terms of “Cost-Weight Reduction-freedom of style”. Thixocasting and, even more, rheocasting show the best potential, as long as the surface quality of the parts is under control and complies with specifications.