Alliages d'al pour emboutissage-étirage résistants, formables et isotropes

Abstract

 L'invention concerne des alliages à base d'A1 destinés à l'emboutissage et/ou à l'étirage et présentant des caractéristiques mécaniques de résistance élevées ainsi qu'une bonne isotropie (faible taux de cornes) et une bonne formabilité à froid.
Les alliages selon l'invention possèdent les compositions pondérales suivantes (%) :
Ils sont particulièrement bien adaptés pour la fabrication de boîtes étirées, particulièrement de boîtes-boissons, plus légères et/ou plus résistantes avec une économie de matière accrue, la gamme de fabrication étant tout à fait comparable à celle des alliages classiques (3004/3104), avec omission éventuelle des recuits intermédiaires.

Description

[0001] L'invention concerne des alliages à base d'A1 destinés à l'emboutissage et/ou à l'étirage et présentant des caractéristiques mécaniques de résistance élevèes ainsi qu'une bonne isotropie (faible taux de cornes) et une bonne formabilité à froid.

[0002] On sait que les alliages habituellement utilisés pour la fabrication de corps de boîtes étirées sont les alliages 3004 ou 3104, suivant les désignations de l'Aluminum Association.

[0003] L' évolution actuelle pousse à rechercher des alliages à la fois plus résistants mécaniquement, ce qui permet corrélativement de diminuer les épaisseurs de paroi pour une application donnée, et plus isotropes c'est-à-dire à faible taux de cornes lors de l'emboutissage et/ou de l'étirage afin d'améliorer le taux d'utilisation de l'alliage, tout en restant suffisamment formables à froid. Or, pour les alliages classiques cités ci-dessus, la première et les 2 dernières propriétés sont relativement contradictoires.

[0004] Ainsi dans le brevet US-A-4318755 des alliages de ce type sont revendiqués mais leurs caractéristiques mécaniques à l'état écroui restent relativement modestes R : 280-300 Mpa, E 0,2 : 250-280 Mpa et A%: 2-4% pour garantir une formabilité en emboutissage-étirage acceptable, tout en conservant une bonne isotropie.

[0005] Les alliages à base d'A1 selon l'invention, qui présentent à la fois des caractéristiques mécaniques élevées, une bonne isotropie et une bonne formabilité appartiennent à deux familles distinctes, l'une (I) dérivée des alliages 3004 classiques, l'autre (II) contenant essentiellement des additions de Fe et de Mg.

[0006] Ils se distinguent de l'art antérieur par deux caractéristiques analytiques essentielles, soit une teneur en Mn "classique" associée à une basse teneur en fer, soit, au contraire, une teneur en Fe élevée associée à une faible teneur en Mn. De plus, une teneur en Cu relativement élevée est préférée.

[0007] De manière plus précise, les alliages selon l'invention ont les compositions pondérales suivantes (%) :

[0008] Dans les compositions (I), une teneur en Cu supérieure ou égale à 0,20 % ou même 0,25 % est préférable. De même, il est préférable d'avoir une teneur en Fe ≦ 0,20, ou mieux inférieure à 0,15%.

[0009] De plus, il a été observé que, de préférence, les teneurs en Mn, Fe et Mg doivent être limitées, pour éviter la précipitation grossière de composés primaires, précipités qui sont néfastes et provoquent des défauts lors des opérations ultérieures de laminage et/ou emboutissage-étirage; dans ce cas, la relation à observer est la suivante:

[0010] De même, pour obtenir des taux de déformation à froid, définis par: (épaisseur initiale - épaisseur finale) /épaisseur initiale, supérieurs à 50%, ou même 60 ou 65%, sans recuit(s) intermédiaire(s), tout en conservant une isotropie élevée, il convient de respecter, pour les compositions (I), la relation suivante:

[0011] Les limitations analytiques se justifient de la façon suivante :
En ce qui concerne les compositions (I), pour Fe ≧ 0,25 et/ou Si ≧ 0,25, il y a apparition dans la structure micrographique de "bandes blanches" après homogénéisation ou réchauffage et laminage à chaud, zones dans lesquelles la teneur en Mn est faible favorisant ainsi l'anisotropie du matériau.
Les teneurs en Mn et Mg sont limitées inférieurement pour obtenir une résistance mécanique suffisante ; cependant au-delà de 1,6 % Mn, il y a apparition de particules intermétalliques primaires néfastes vis-à-vis de la formabilité au cours du laminage ou des opérations d'emboutissage et/ou d'étirage, et pour Mg ≧ 2,5 %, il y a apparition de défauts à l'étirage, par exemple le collage sur la filière (aussi appelée bague) et une trop grande anisotropie.

[0012] Le Cu est maintenu en dessous de 0,6 % pour respecter les normes d'alimentarité (arrêté du 27 août 1987), mais est, de préférence, tenu supérieur à 0,20% ou même 0,25% pour obtenir les hautes caractéristiques mécaniques souhaitées lors de la cuisson des revêtements. Au-dessus de 0,35 % de Cr, il y a apparition de composés intermétalliques primaires grossiers néfastes à la formabilité par effet d'endommagement. Les limites supérieures en Ti et V sont justifiées par cette même raison.

[0013] Une composition préférentielle contient de 1,2 à 1,6 % Mn, de 0,8 à 1,2 % Mg, de 0,2 à 0,6 % Cu, et jusqu'à 0,25 % Cr.

[0014] En ce qui concerne les compositions (II), il est préférable que la teneur en Mn soit tenue en-dessous de 0,40%, et de préférence 0,35%. De même, il est préférable que le Fe soit tenu au-dessus de 1,05% ou mieux 1,10%.

[0015] Ces deux mesures peuvent être encore préférablement conjuguées. Les limitations analytiques des compositions (II) se justifient de la façon suivante:

. au-dessous de Fe = 0,7 %, on observe des problèmes d'anisotropie élevées (cornes importantes à 45°) et des défauts de collage lors de l'étirage.

. au-dessus de 1,5% Fe, il y a apparition de phases primaires grossières et endommagement au cours du laminage et des opérations d'emboutissage et/ou d'étirage.

Au-dessus de Mn = 0,8 %, il y a apparition de particules grossières néfastes au laminage ou à l'emboutissage- étirage par endommagement.
Si Mg est inférieur à 1,5 %, les caractéristiques mécaniques sont insuffisantes.
Si Mg est supérieur à 3 %, l'anisotropie est trop forte et on observe des défauts de type collage à l'étirage.
Le Cu est maintenu en-dessous de 0,6 % pour respecter les normes d'alimentarité.
Au-dessus de Cr = 0,35 %, il y a apparition de précipités primaires néfastes à la formabilité (endommagement). Les teneurs en Cr et V sont limitées supérieurement pour cette même raison.

[0016] Une composition préférée contient de 1,1 à 1,4% Fe, de 1,6 à 2,5% Mg et jusqu'à 0,25 % Cr.

[0017] La mise en oeuvre des alliages selon l'invention est tout à fait analogue à celle des alliages 3004 et 3104, comme cela apparaîtra de façon détaillée dans les exemples, sauf en ce qui concerne la nécessité de recuits intermédiaires pour les alliages (I).

[0018] La gamme de fabrication comporte donc essentiellement les opérations suivantes:

• coulée, généralement par coulée semi-continue en lingots ou coulée directe en bandes
• homogénéisation ou réchauffage
• laminage à chaud jusqu'à une épaisseur intermédiaire
• laminage à froid avec ou sans recuits intermédiaires

ce qui fournit des ébauches adaptées aux opérations d'emboutissage et d'étirage.

[0019] Il est à noter que les produits conservent une bonne isotropie même si les taux de déformation à froid dépassent 50%, ou même 60 ou 65% sans recuit(s) intermédiaire(s).

[0020] Les différences essentielles entre les alliages 3004 classiques et les alliages (I) selon l'invention résident dans des teneurs en Fe et/ou Si limitées, qui conduisent à des structures micrographiques sur produits laminés à chaud (en général des tôles ou bandes d'épaisseur supérieure à 3 mm) complètement différentes.

[0021] L'alliage 3004 classique est caractérisé par l'existence d'une structure comportant, outre les précipités intermétalliques primaires grossiers situés dans les zones interdendritiques et les précipités secondaires intragranulaires de fines "bandes blanches", exemptes de précipités, dans les zones interdendritiques. Au contraire, les alliages selon l'invention présentent des microstructures analogues, mais en l'absence totale de "bandes blanches".

[0022] Les alliages selon l'invention sont donc caractérisés par une répartition très homogène des précipités primaires et secondaires dans une matrice à base d'A1 dès le stade du lingot.

[0023] Les figures 1, 2 et 3 sont des micrographies au grandissement X400 respectivement de l'alliage classique 3004 (exemple 0) et des alliages des exemples 1 (ou 3) et 2, selon l'invention, à l'état brut de laminage à chaud.

[0024] La figure 4 est un profil schématique de la répartition des précipités (fraction volumique en %) en fonction de la distance(en µm) comptée à partir d'une zone interdendritique sur une coupe transversale d'une dendrite ayant environ 95 µm de large pour un alliage 3004 classique (trait épais) et un alliage selon l'invention (trait mince).

[0025] L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants, comparés à un alliage 3004 pris comme référence.
Dans ces exemples, le matériau obtenu est caractérisé par ses caractéristiques mécaniques de traction (sens travers), par l'indice de cornes S 45/90 tel que défini ci-après, et les valeurs de LDR et LIR également définis ci-après.
Le taux de cornes : S α/β =


où H α = (H + H_180-α + H_180+α + H_360-α )/4 H étant la hauteur de l'embouti cylindrique dans une direction faisant un angle α avec la direction de laminage et

la hauteur moyenne de l'embouti cylindrique définie par


n étant le nombre d'extréma = 2 x nombre de cornes - voir norme NFA 50-301, juin 1976 -

[0026] Le LDR (limiting drawing ratio) est la valeur du rapport : 0̸ maxi flan/ 0̸ poinçon sans apparition de rupture dans des conditions d'emboutissage déterminées : lubrification, pression de serre-flan, géométrie du poinçon (arrondi), épaisseur de la tôle (flan), etc.
Le LIR (limiting ironing ratio) en % est la valeur nominale du rapport
   LIR = 100 ( eo - ef)/eo
permettant l'étirage sur poinçon d'un cylindre sans apparition de défauts dans des conditions déterminées de géométrie d'outillage (filière/ poinçon), de lubrification, d'épaisseur initiale, de nombre de passes, (généralement 3), etc...., e_o étant l'épaisseur initiale de la paroi et e_f étant l'épaisseur finale.

[0027] Les exemples suivants (1 à 5) illustrent l'invention vis-à-vis de l'alliage 3004 pris comme référence (exemple 0). Les exemples 1 à 3 sont relatifs aux compositions (I) et les exemples 4 et 5 aux compositions (II).

[0028] Les alliages dont la composition chimique est reportée au tableau I ont été coulés en plateaux de 1100 x 300 x 2650 mm³, homogénéisés ou réchauffés, scalpés, laminés à chaud jusqu'à 3mm d'épaisseur et à froid jusqu'à 0,3 mm d'épaisseur, avec ou sans recuit intermédiaire dans les conditions détaillées au tableau 2 (état H 1x).
Une simulation de la cuisson des vernis a été effectuée par maintien de 10 minutes à 204°C (état H 28).

[0029] Les résultats obtenus sont reportés au tableau 3.

[0030] On peut constater :

• que l'exemple 1 présente des caractéristiques mécaniques élevées et une faible anisotropie avec une formabilité comparable à celle du 3004.
• que l'exemple 2 présente des caractéristiques mécaniques très élevées associées à une bonne formabilité, l'isotropie étant notablement plus forte que celle du 3004
• que l'exemple 3 présente une isotropie particulièrement élevée, les caractéristiques de résistance mécanique et de formabilité étant équivalentes à celle de 3004
• que les exemples 4 et 5 présentent des caractéristiques mécaniques particulièrement élevées avec une isotropie au moins égale et une formabilité comparable à celle du 3004.

[0031] L'invention trouve une application principale dans la fabrication de boîtes étirées, particulièrement de boites-boissons, plus légères et/ou plus résistantes avec une économie de matière accrue, avec une gamme de fabrication tout à fait analogue à celle des alliages classiques (3004-3104), avec une simplification de la gamme de fabrication en évitant les recuits intermédiaires.

Revendications

1. Alliage à base d'A1 destiné à l'emboutissage et/ou l'étirage, caractérisé en ce qu'il contient (en poids %)
Fe ≦ 0,25 - Si ≦ 0,25 - Mn de 0,8 à 1,6 - Mg de 0,7 à 2,5 - Cu de 0,20 à 0,6 - Cr de 0 à 0,35 - Ti de 0 à 0,1 - V de 0 à 0,1 - autres éléments: chacun ≦ 0,05, total ≦ 0,15, reste A1

2. Alliage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en Fe est inférieure à 0,20 %.

3. Alliage selon la revendication 1 caractérisé en ce que la teneur en Fe est inférieure à 0,15%.

4. Alliage selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que la teneur en Cu est supérieure à 0,25 %.

5. Alliage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que %Mn + 0,9% Fe + 0,3 Mg ≦ 1,9

6. Alliage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il contient de 1,2 à 1, 6 % Mn, de 0,8 à 1,2 % Mg, de 0,2 à 0,6 % Cu et jusqu'à 0,25 % Cr.

7. Alliage selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que %Mn - 2,25 % Fe ≧ 0,50.

8. Alliage suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que à l'état homogénéisé ou à l'état laminé à chaud, sa structure est constituée d'une matrice à base d'A1 contenant des précipités primaires et secondaires régulièrement répartis, en l'absence de "bandes blanches".

9. Procédé d'obtention d'une bande laminée en alliage d'A1 comprenant la coulée d'un alliage contenant (en poids %):
Fe ≦ 0,25 - Si ≦ 0,25 - Mn de 0,8 à 1,6 - Mg de 0,7 à 25 - Cu de 0 à 0,6 - Cr de 0 à 0,35 - Ti de 0 à 0,1 - V de 0 à 0,1 autres éléments = chacun ≦ 0,05 - total ≦ 0,15, reste: A1
une homogénéisation ou un réchauffage, un laminage à chaud, un laminage à froid, sans recuit(s) intermédiaire(s), caractérisé en ce que
   %Mn - 2,25% Fe ≧ 0,50
et en ce que le taux de déformation à froid est supérieur à 50%.

10. Alliage à base d'A1 destiné à l'emboutissage et/ou l'étirage caractérisé en ce qu'il contient (en poids %)
Fe de 0,7 à 1,5 - Si ≦ 0,4 - Mn ≦ 0,8 - Mg de 1,5 à 3 - Cu de 0 à 0,6 - Cr de 0 à 0,35 - Ti de 0 à 0,1 - V de 0 à 0, 1 - autres éléments - chacun ≦ 0,05, total ≦ 0,15, reste A1.

11. Alliage selon la revendication 10 obtenu selon les procédés de coulée semi-continue classique ou de coulée continue en bandes, caractérisé en ce que on a la relation :
% Mn + 0,9 % Fe + 0,3 % Mg ≦ 1,9

12. Alliage selon l'une des revendications 10 ou 11 caractérisé en ce que % Mn ≦ 0,40.

13. Alliage selon la revendication 12 caractérisé en ce que % Mn ≦ 0,35.

14. Alliage selon l'une des revendications 10 à 13 caractérisé en ce que % Fe ≧ 1,05.

15. Alliage selon la revendication 14 caractérisé en ce que % Fe ≧ 1,10.

16. Alliage selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce qu'il contient 1,1 à 1,4% Fe, 1,6 à 2,5 % Mg et jusqu'à 0,25 % Cr.

17. Procédé d'obtention d'une bande laminée en alliage d'A1 comprenant la coulée d'un alliage contenant (en poids %) de 0,7 à 1,5 Fe; jusqu'à 0,4 Si; de 1,5 à 3 Mg; jusqu'à 0,6 Cu; jusqu'à 0,35 Cr; jusqu'à 0,1 Ti; jusqu'à 0,1 V; impuretés: jusqu'à 0,05 chacune et 0,15 ou total, une homogénéisation ou un réchauffage, un laminage à chaud, un laminage à froid sans recuit intermédiaire caractérisé en ce que le taux de déformation à froid est supérieur à 50%.

Dessins