Procédé de fabrication de feuilles en alliages d'aluminium-fer hypoeutectiques

Abstract

 La présente invention est relative à un procédé de fabrication de feuilles en alliages d'aluminium-fer hypoeutectiques.
Il est caractérisé par un affinage du grain avant coulée, un laminage à froid suivant un taux d'écrouissage optimisé et un recuit final de manière à développer une structure semi-recristallisée qui conduit à un compromis avantageux des caractéristiques mécaniques résistance et allongement.
Un tel procédé est particulièrement adapté à la fabrication de feuilles destinées à la réalisation de plats légers, tuyaux flexibles, bouchons etc...

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication de feuilles en alliages d' aluminium-fer hypoeutectiques, destinées plus particulièrement à la réalisation de plats légers, tuyaux flexibles, bouchons et à toutes les applications exigeant de ladite feuille des caractéristiques mécaniques qui favorisent l'emboutissage, le pliage et la rigidité.

[0002] On entend ici par alliages aluminium-fer hypoeutectiques, ceux qui contiennent moins de 1,7 % de fer.

[0003] De tels alliages sont connus notamment par le brevet français FR n° 1 438 096 qui protège un produit convenant à la production de feuilles métalliques d'épaisseur inférieure à 76 µm, caractérisé en ce qu'il contient de 0,6 à 1,2 % de fer, le reste étant de l'aluminium. Une telle feuille est obtenue par coulée semi-continue classique suivie d'un laminage à froid et présente des caractéristiques mécaniques intéressantes, à savoir une résistance de rupture à la traction de l'ordre de 80 MPa et un allongement de 7 %.

[0004] Un autre brevet français, le n° 2 291 285, revendique également un procédé de fabrication de feuilles d'alliages contenant entre 1,1 et 2,5 % de fer. Ce procédé recourt à l'utilisation de cduleuses à cylindres du type HUNTER, au laminage et à un recuit final. Cependant, son enseignement est plutôt axé sur des compositions voisines de 1,7 % de fer, c'est-à-dire eutectiques, lesquelles conduisent à des phases solides homogènes, constituées de fines particules d'intermétalliques dispersées dans tout le matériau.

[0005] La demanderesse a orienté ses recherches vers des alliages de composition assez éloignée de l'eutectique et contenant au maximum 1,3 % de fer. L'homme de l'art sait que, dans ces conditions, la solidification débute par l'apparition de cristaux d'aluminium dits primaires en forme de dentrites et s'achève par un dépôt d'eutectique composé d'intermétalliques d'Al_nFe qui sépare les grains les uns des autres. Ceci conduit à une structure hétérogène tout à fait différente de la structure homogène obtenue dans le cas d'une composition eutectique.

[0006] Dans le domaine de ces alliages d'aluminium-fer hypoeutectique, le brevet français, n° _'1.438 096, montre au moyen de courbes, les variations des caractéristiques mécaniques, telles que la résistance de rupture à la traction et l'allongement, en fonction du taux de réduction d'épaisseur que subit le métal au cours du laminage. Ce taux, encore appelé taux d'écrouissage, correspondant à la formule

x 100, dans laquelle E représente l'épaisseur avant laminage et e, l'épaisseur finale.

[0007] On constate sur ces courbes que l'Al_nFe hypoeutectique a une caracté-- ristique d'allongement nettement meilleure que celle des alliages classiques 1100 et 5005. Cette propriété fait que, comme l'enseigne le brevet : "l'alliage s'adapte mieux aux opérations de fabrication de feuilles minces et rend le produit obtenu supérieur en vue d'applications à l'emballage, pour lesquelles une meilleure résistance mécanique serait inefficace si elle s'accompagnait d'une perte appréciable d'allongement".

[0008] C'est, en effet, principalement la recherche d'un compromis optimum entre ces deux caractéristiques qui guide l'homme de l'art dans la fabrication de feuilles destinées à l'emballage et c'est dans cette optique que la demanderesse a cherché et trouvé un moyen permettant d'améliorer ledit compromis, et de conférer ainsi au produit obtenu des qualités favorisant l'emboutissage, le pliage et la rigidité.

[0009] Ce moyen consiste en un procédé visant à développer dans la feuille métallique une structure finale dite "semi recristallisée".

[0010] On sait, en effet, que, lors du laminage à froid notamment, le métal durcit ou mieux s'écrouit, c'est-à-dire qu'il perd progressivement toute capacité d'allongement plastique tout en acquérant une résistance plus grande. On peut alors le chauffer à une température voisine de 400°C et procéder ainsi à un recuit dit de recristallisation, opération au cours de laquelle les caractéristiques mécaniques se modifient considérablement et s'orientent vers une diminution de la charge de rupture et une augmentation de l'allongement. Certes, on améliore ainsi notablement l'allongement, mais le plus souvent, la résistance est devenue insuffisante.

[0011] C'est pourquoi, la demanderesse a pensé qu'en cherchant à limiter cette recristallisation, il était possible de réaliser une structure intermédiaire, laquelle développerait simultanément les avantages de la bonne résistance de l'état écroui et de l'allongement convenable de l'état recristallisé concrétisant ainsi l'obtention du compromis recherché.

[0012] Pour y parvenir, elle a mis au point un procédé dans lequel on traite le bain métallique par un affinant, on coule en semi-continu dans une lingotière ou en continu entre cylindres, on lamine à froid et on recuit entre 380°C et 430°C, ce procédé étant caractérisé en ce que '. l'affinant est ajouté en quantité telle qu'il génère une structure de coulée dans laquelle les grains ont une dimension maximum inférieure à 100 µm et l'espacement entre bras de dendrite est compris entre 8 et 30 µm et en ce que le laminage s'effectue suivant unttaux de réduction d'épaisseur compris entre 98 et 99,8 %.

[0013] Ainsi, le procédé selon l'invention consiste à mettre en oeuvre les étapes classiques en métallurgie, d'affinage de l'alliage à l'état liquide, de coulée, de laminage, de recuit final. On peut noter, cependant, que le procédé s'applique de façon indifférente à un produit coulé en semi-continu au moyen de lingotières ou de couleuses à cylindres de type 3C, à condition que les paramètres d'affinage et. d'écrouissage soient adaptés au type de coulée de manière à conduire à la même structure finale.

[0014] Le procédé est d'abord caractérisé par l'ajout d'un affinant en quantité telle qu'elle génère une structure de coulée dans laquelle les grains ont une dimension maximum inférieure à 100 µm.

[0015] De manière classique on obtient à la coulée des grains de dimensions voisines de 200 pm. Mais, l'expérience a montré qu'avec une telle grosseur, l'alliage a un comportement trop hétérogène au cours du laminage et qu'il se crée des bandes de cisaillement favorables au développement d'une recristallisation totale, ce qui va à l'encontre de l'obtention d'une structure semi-recristallisée.

[0016] Cependant, la recherche d'une taille de grains trop petite n'est pas non plus intéressante car elle conduit à une répartition trop uniforme -et régulière de l'eutectique et aboutit à un produit ne recristallisant pas.

[0017] C'est pourquoi, on affine de manière à avoir des grains de dimensions comprises entre 10 et 50 µm. Cet affinage peut être obtenu au moyen de tout agent généralenent utilisé dans la métallurgie de l'aluminium et, notamment, les produits à base de bore et de titane comme, par exemple, l'AT5B.

[0018] Dans le mène but d'éviter cette homogénéité de structure, il est évident, pour l'homme de l'art, d'utiliser des compositions d'alliage s'éloignant le plus possible de la zone eutectique, mais en gardant néanmoins suffisamment de fer pour bénéficier des propriétés particulières de cet élément et, notamment, de son action comme agent de blocage de la recristallisation. Ainsi, une teneur comprise entre 1,1 et 1,3 % de fer est préférée.

[0019] Toujours avec le même souci de recherche de structure hétérogène, on évite de couler l'alliage dans une machine à cylindres du type HUNTER car la vitesse de solidification est trop grande et conduit à des dendrites trop fines inférieures à 5 pm. Par contre, la machine 3C s.'avère particulièrement intéressante dans le procédé de l'invention car elle donne lieu à la formation de dendrites encore suffisamment grosses pour qu'on puisse distinguer nettement sur la structure les zones avec et sans eutectique.

[0020] Le procédé est également caractérisé en ce que le laminage à froid, appliqué directement sur la structure de coulée, s'effectue suivant un taux de réduction d'épaisseur compris entre 98 et 99,8 %.

[0021] On entend,évidemment,par laminage à froid, un laminage effectué à une température inférieure à la température de recristallisation.

[0022] Ce choix résulte du fait que, lorsque ce taux est trop faible, de l'ordre de 96 t par exemple, l'écrouissage est insuffisant et, par suite, le métal recristallisera facilement et complétement au cours du recuit. Au contraire, si l'écrouissage est trop élevé, des branches de dendrites sont devenues tellement fines que la recristallisation ne peut pas se produire et la structure n'évolue que par restauration.

[0023] Entre ces deux taux d'écrouissages, un nombre limité de régions peuvent recristalliser et former des grains recristallisés isolés dans une matière restaurée et ces grains ne peuvent pas se développer et envahir toute la structure en raison de la présence des particules eutectiques. Ces taux ont été choisis de manière à former par la suite une structure semi-recristallisée dans laquelle le volume recristallisé représente entre 10 et 30 % du volume total, répartition la plus compatible avec le but recherché.

[0024] Enfin, le procédé comporte également un recuit entre 380 et 430°C après laninage à une vitesse de montée en température et d'une durée telle qu'on développe la structure semi-recristallisée souhaitée et qui est alors composée de grains recristallisés de diamètre inférieur à 30 µm et compris généralement entre 5 et 15 µm, isolés dans une matrice restaurée avec des sous grains de 1 à 2 µm.

[0025] La structure semi-recristallisée ainsi obtenue semble dûe essentiellement à une dispersion dans la distribution des distances entre les particules intermétalliques permettant à la fois la recristallisation lorsque cette distance est grande et le blocage de la recristallisation lorsque cette distance est faible.

[0026] Le faible volume occupé par les grains recristallisés semble essentiel car il apporte à l'alliage une amélioration de ductilité notable alors que la structure des sous grains permet de conserver encore une limite élastique élevée.

[0027] Cette combinaison confère à la feuille d'alliage un compromis avantageux entre ses caractéristiques, particulièrement favorable à des opérations ultérieures de transformation telles que l'emboutissage par exemple.

[0028] L'imrention concerne également la feuille d'alliage obtenue par le procédé ayant une épaisseur comprise entre 50 et 250 µm, une composition telle que :

Fe : 1,1 - 1,3 % Si < 0,7 % Mn < 0,1 % Ti < 0,1 % Cu < 0,2 %

caractérisée par une structure dans laquelle 10 à 30 $ du volume est à l'état recristallisé sous forme de grains supérieurs à 5 µm et inférieurs à 30 µm, et le reste est à l'état restauré de manière à obtenir un compromis avantageux entre la charge de rupture à la traction et l'allongement, et se situant pour la première caractéristique mécanique entre 120 et 140 MPa, et pour la deuxième, au-dessus de 17 %.

[0029] L'invention peut être illustrée au moyen des exemples suivants qui donnent les résultats de caractéristiques mécaniques obtenues avec des feuilles de 100 µm d'épaisseur, élaborées suivant le procédé revendiqué.

EXEMPLE 1

[0030] Un alliage de composition :

Fe : 1,3 % - Si : 0,3 % - Cu : 0,1 % - Mn 0,015 % - Ti : 0,03 %, a été affiné au moyen d'un alliage-mère d'AT5B à raison de 3 kg par tonne d'alliage, puis coulé en continu au moyen d'une lingotière sans fond sous forme d'une plaque dont la section a pour dimensions 38 x 7 cm avec une vitesse de 8 cm/minute.

[0031] La structure du produit coulé était composée de grains d'aluminium primaire ayant une dimension maximum inférieure à 150 µm séparés les uns des autres par des zones eutectiques d'Al_nFe.

[0032] La plaque a été laminée à froid suivant un taux de réduction d'épaisseur de 99,8 % de manière à donner une feuille de 100 µm d'épaisseur qui a été recuite à 420°C pendant 30 heures.

[0033] La structure finale de cette feuille présentait 30 % de son volume à l'état recristallisé et ses caractéristiques mécaniques étaient les suivantes :

compromis de valeurs particulièrement favorable à l'élaboration de plats obtenus par emboutissage.

EXEMPLE 2

[0034] Un alliage de composition :

Fe : 1,15 % - Si : 0,3 % - Ti : 0,03 % - Cu : 0,002 % - Mn : 0,020 %, a été affiné au moyen d'un alliage-mère d'ATSB à raison de 2 kg par tonne d'alliage, puis coulé en continu au moyen d'une machine à cylindres refroidis du type 3C sous forme d'une tôle d'épaisseur 0,8 cm avec une vitesse de 100 cm/minute.

[0035] La structure du produit coulé comportait des grains d'aluminium primaire de dimensions comprises entre 30 et 80 µm séparés les uns des autres par des zones eutectiques d'Al_nFe.

[0036] La tôle a été laminée à froid suivant un taux de réduction d'épaisseur de 99 % de manière à former une feuille d'épaisseur 80 µm qui a été recuite à 400°C pendant 30 heures.

[0037] La tôle présentait une structure finale recristallisée à 20 % et ses caractéristiques mécaniques étaient les suivantes :

caractéristiques qui ont permis d'utiliser cette feuille à la confection de plats emboutis, avec un taux de rebut pratiquement nul.

[0038] La présente invention trouve son application dans l'industrie de l'aluminium chaque fois que l'on veut obtenir des feuilles d'épaisseur comprise entre 50 et 150 µm présentant un couple de valeurs optimum en ce qui concerne la charge de rupture à la traction et d'allongement.

Revendications

1°/ - Procédé de fabrication de feuilles en alliages d'aluminium-fer hypoeutectiques par ajout d'un affinant au bain métallique, coulée en semi-continu dans une lingotière ou en continu entre cylindres, laninage à froid et recuit entre 380°C et 430°C, caractérisé en ce que l'affinant est ajouté en quantité telle qu'il génère une structure de coulée dans laquelle les grains ont une dimension maximum inférieure à 100 µm et l'espacement entre bras de dendrite est compris entre 8 et 30 µm et en ce que le laminage s'effectue suivant un taux de réduction d'épaisseur compris entre 98 et 99,8 %, de manière à développer après recuit une structure finale semi-recristallisée.

2°/ - Feuille en alliage d'aluminium-fer hypoeutectique obtenue suivant le procédé de la revendication 1 ayant une épaisseur comprise entre 50 et 250 µm, une composition telle que :

Fe : 1,1 - 1,3 % - Si < 0,7 % - Mn < 0,1 % - Ti < 0,1 % Cu < 0,2 %

caractérisée par une structure dans laquelle 10 à 30 % du volume est à l'état cristallisé sous forme de grains supérieurs à 5 µm et inférieurs à 30 µm, et le reste est à l'état restauré de manière à obtenir un compromis optimum entre la charge de rupture à la traction et l'allongement, se situant pour la première caractéristique entre 120 et 140 MPa et, pour la deuxième, au-dessus de 17 %.