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~8~9~
La présente invention se rapporte à un procédé de
fabriaation de corps creux en alliage d'.aluminium et aux
produits ainsi obtenus, qui possèdent une grande ductilité
(dans le ~ens long) et une grande ténacité (dans le sens
travers) lorsqu'ils sont traités à des niveaux de résistance
~upérieurs à 6G0 MPa.
On sait que les alliages A-Z8GU (ou 7049-A) selon la
norme AFNOR 50-411, dont l'analyse est reportée au tableau 1
sont particulièrement utilisés dans la fabrication de corps
creux sous pression, en rai.son des hautes caractéristiques
mécaniques qu'i.ls acquièrent à l'état trempé-revenu (état T6).
. Or, ces alliages ne sont pas toujours fiables en ce
sens que des ruptures ou éclatements prématurés sont parfois
observés lors des épreuves hydrauliques de contrôle.de tels
corps creux soumis à une pression.interne.
Le but de cette inve`ntion est dona de résoudre ce
problème par un choix convenable couvrant partiellement le : ~
domalne de l'alliage 7049 A, qui permet d'obtenir, selon le . :.
procédé, des produits présentant des caractéristiques de
ductilité et de ténacité élevées, et, par conséquent, une
grande sécurité d'emploi.
Ce but est atteint de façon surprenante:
1- Essentiellement en diminuant les teneurs des éléments Cr, Mn
et Zr, qui sont connus pour:être des inhibiteurs de recris-
talIisation dans les alliages.d'Al (voir ALTEXPOHL, "Un
regard à l'in~érieur de l'alumin.i.um", éd. française,.1976,
1 p. 148).
Or, en vue d'obtenir les très hautes caraatéristiques méca-
niqueS recherchées, l'alliage est, en effet, utilisé à
l'état non recristallisé avec effet de presse, même aprè
les traitements de mise en solutionl trempe et re~enu.
2- En augmentant au-delà d.es limites habituelles les teneurs en
.. ... .. . .
eléments principaux tels que Zn~ Cu, Mg.
3- En limitant à des niveaux bas ou très bas les teneurs des
éléments mineurs (Fe, SI, Ti) ou meme des.impuretés telles
~ue le V.
i Plu~ précisément, le procédé selon l'invention qui
est.destiné à.l'obtention de corps creux résistant à une pres-
sion interne ayant une charge de rupture et une contrainte
d'éclatement supérieures.ou égales à 6~0 MPa et un allongement
de rupture en long supérieur ou égal à 9 % pour Rm = 660 MPa,
est caractérisé par les étapes suivantes:
- on élabore un alliage contenant ~% en poids?:
Zn . 7,6 à 9,5 . ~
Cu 1,0 à 1,8 %
Mg 2,4 à 3,5 %
Cr 0,07 à 0,17 %
Mn 0,15 à 0,25
Zr 0,08 à 0,14 %
Fe 0,20 ~ %
Si ~ _ 0,15 %
Ti ~ 0,10 . %
Autre~,.chacun ~ 0,05 . %
Autres, total ~ ~ 0,15 . %
Reste Al
- on coule et on transforme à chaud l'alliage homogénéisé QOUS
forme de tube, et on rétreint à chaud au moins une des deux
extrémités du tube;
- on le traite thermiquement par mise en solution, trempe et
revenu (etat T6).
~a t~an~forrnation à chaud de l'alliage homogénéisé
3~ sous forme de tube est realisée de préférence par filage inverse.
Dans unecomposition préférentielle de l'alliage, la
teneur en V est limitée à une teneur inférieure à 0,01 %.
... ..
--2--
~s~
!
Suivant un mode de réalisation préEéré du procédé,
les produits sont transformés de la Eaçon suivante:
- homog~neisation entre 460 et 490C. des billettes coulées,
déformation à chaud entre 320 et 420C., y compris éventuel-
lement le rétreint d'une (ou des deux) extrémité(s) dans le cas
de abrication de corps creux, mise en solution entre 460 et
480C. et revenu adapté pour obtenir une charge de rupture
(sens long) et une contrainte limite d'éclatement ~sens
travers) supérieures ou égales à 660 MPa.
Dans ces aonditions et, pour une charge de rupture
égale à 660 MPa, l'allongement dans le sens long est supérieur
à 9 %: cet allongement est mesuré sur une longueur de base
lo = 5,65 ~ S étant la section de l'éprouvette. La défor-
mation à chaud est réalisée, de préférence, par filage inverse;
des conditions d'homogénéisation, de mise en solution et de
revenu peuvent être différentes de celles indiquées ci-dessus
sans sortir du domaine de l'invention.
La contrainte d'éclatement (RE) lors de l'epreu~e
hydraulique est donnée par la formulè classique: `
Dp
RE = 2
dans laquelle
- - e : est llépaisseur minimum du tube ou du corps creux (9uppose
sensiblement cylindrique circulaire).
D : est le diamètre moyen du cyllndre, soit D. In~ 3 _~35_
- p : est la pression d'éclatement
Il a été constaté que le~ éléments Cr, Mn, Zr ont
-- un effet synergétique imprévisible, c'est-à-dir~ que leur action
globaIe sur les caractéristiques mecaniques est très largement
supérieure à la somme des actions individuelles de chacun
d'eux. Cet effet est nettement mis en évidence dans les exemples
donnés ci-aprè~. Il n'etalt donc pas du tout évident de choisir
--3--
cette combinaison particulière de teneurs en ces éléments pour
ob~enir les propriétés recherahées.
Iles alliages suivant l'in~ention répondent au te~t de
contrôle ~uivant:
- 200 g dlalliage environ sont refondus à 735C.- 5C dans un
creu~et de graphite poteyé d'alumine
- on soumet ensuite l'en~emble à un refroidissement lent en
four, à raison de 0,5 à 1C/min. suivi d'un palier de 2 h à
une température supérieure à 2 à 4C. à celle du début de
solidification de l'alliage (liquidus), puis on sort le
creuset à l'air pour assurer une solidification rapide.
- l'examen en micrographie optique au grossissement x 100 à 500
d'un échantillon poli prélevé dans la moitié inérieure du
lingotin ainsi obtenu, ne révèle aucun amas de aonstituants
intermétalliques primaires ou de partioules intermétalliques
individuelles massives, non dendritiques, de forme générale
polygonale, de longueur supérieure à 35,um dans leur plus ,
grande dimension.
Les particules sont aonsidérées comme faisant partie
d'un amas lorsque la distance interparticulaire est inférieure
ou égale à la plus grande dimension de la particule considéré~e.
Dans ce cas, la longueur prise en compte est la longueur cumulée
des dimensions maximales de chaque particule de l'amas.
L'invention sera mieux comprise et illustrée par les
exemplé suivants ainsi que les dessins ci-joints dans lesquels:
- la figure 1 représente une ~oupe micrographique
.
d'un lingot obtenu à partir d'un alliage conforme à l'invention;
. _ ~
- la figure 2 représente une coupe micrographique
d'un iingot obtenu à partir d'un alliaye sortant du domaine
de l'invention.
EXEMPLE 1 :
.
Le~ alliages reperés 1 à 12 dont les compositions (%
,
-4-
9C~
en poids) sont reportées au tableau II ont été coulés en semi
continu verticalement, en billettes 0 185 mm, qui ont été homo-
yénéisées 24 h à 450C. Ces billettes ont été usinées à ~ 170
mm pour filage inverse de tubes ~ 82 x 67,5 mm à une température
de 365C.
Les tubes ont été ensuite trait~ de la fa~on suivante:
~ mise en solution à 460C~ pendant 45 minutes
- trempe à l'eau froide (10-15C.) -
- revenu à 125C. pendant 20 h
Les tubes ainsi obtenus ont été soumis à des essais de traction
suivant une direction parallèle aux génératrices du tube et à
des essais d'éclatement sous pression hydraulique (déchirure
longitudinale).
On a relevé la charge de rupture (Rm), la limite élastique ~
(R 0,2), l'allongement (A %) et la contrainte d'éclatement ~RE).
Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau III.
Le effets individuels des additions de~0,07 % Cr
trep. A). fr 0,88 % Zr (rep. B) et de 0,15 ~ Mn ~rep. C) sont
reportés au tableau IV~ On constate que la somme des effets
individuels (lignes A + B ~ C) est largemen~ inférieure à ce-lle
des additions conjointes (ligne D suivan~ l'invention~ de
l'ensemble de ce~ éléments sur les caracteristique5 de traction
et de façon particulièrement spectaculaire sur la limite
élastique et les allongements. Elle reste cependant sans effet
notable sur la résistance à l'éclatement.
Ainsi, l'effet synergétique de ces eléments, impré-
visible a priori, est bien démontré
.. _ .
Par ailleurs, on constate bien que les caractéris~i~
ques visées ne sont pas atteintes pour les alliages l à 8 dont
la composition est hors du domaine de l'invention alors que les
alliages 9 a 12, selon l'invention, les atteignent.
.
~ ~ -5
.
~9~ ~
EXEMPLE 2:
Trois coulées en semi continu d'alliage 7049 A, sortant
des limites de composition de la présente invention, ont été
eEEectuées. Les analyse~ ob~enues sont reportées au tableau V.
Celles-ci ont été transormées en tubes dans les con-
ditions de l'exemple 1 par ~ilage inverse, et ceux-ci ont été
rétreints et traités à l'état T6 par mise en solution à
465~ 5C., 45 mm, trempe eau et revenu 125C., 20 h. Les
aontraintes de rupture sous épreuve hydraulique, calculées
comme indiqué ci-dessus, sont également données au tableau
V. On peut constater qu'elles sont nettement inférieures à
la valeur limite visée ~660 MPa).
Sur du métal conforme à l'invention (Rep. 12, tableau
II) et non conforme à l'invention (Rep. E, tableau V), nous
avons procédé au test de solidification suivant:
- prélèvement de 200 g de métal dans les~billettes coulées en
série continue,
- fusion du prélèvement à 735 C. 5C.
- refroidissèment à 632C. à raison de 0,5 à 1 C/minute,
- maintien 2 h à 632C. (début de solidification de l'alliage
.
à 628C.),
- sortie du four et refroidissement rapide.
Sur l'alliage conforme à l'invention, la structure
micrographique du lingot dans son 1/3 inférieur est représentée
par la figure l au grossissement 200. On n'observe aucun com-
posé de taille supérieure à 35 microns dans sa~ plu5 grande di-
mension. De plus, tous les composés hors solution sont observés
dans les espaces interdendritiques~ Une bonne partie d'entre
eux est d'ailleurs résolue par traitements thermiques ultérieurs.
- 30 Au contraire, dans le cas de l'alliage sortant du
domaine de l'invention; (Cr 0,22 %, Mn 0,27 ~, Zr 0,13 %), il
est possible d'observer des composés intermétalliques primaires
~. 6
.~ .
, ,
!
de forme polyédrique, de dimension supérieure à 100 microns et
groupés en colonies (flgure 2). Ces cristaux ne peuvent etre
confondus avec ceux cle la figure 1, ni par leur dimension, ni
par leur ~ituation, ni en~in par leur évolution en aours de
transformation. Ils ne sub.issent, en efet, aucune modification
par l'~fEet des traitements therm.iques. Ils se fragmentent
et s'alignent, en restant contigus, dans.la direction princi-
pale de la déformation, avec toutes les.conséquences qu'impli- -
que cette configuration sur.la fragilité du produit. ~-
TABLEAU I .
_~ :
Composition de l'alliage 704~ A (en % en poids)
~ . . _. ._1. ~ . .. __ .
Sl ~ n ,40 ~ % autres
Fe ~ 0,50 (chacun~ 0,05 %
`Cu = 1,2 à 1,9 % (total) 0,15
.Mn ~. 0,50 % Res.te Al
Mg = 2,1 à 3,1 %
Cr = 0,05 à 0,25 % . .
zn = 7,2 à 8,4 %
Ti + zr ~ 0,25 % ~ . ..
-
'~
., : :
.
. 7
.
` .
. ,
TABLEAU II
__
COMPOSITION CHIMIQU~ DES ALLIAGES
___ , ~ __ __ _ __ .
~ ll.iages Fe Si Zn Mg Cu Cr. Zr Mn Ti
. ____ ._ __ _._ __ _ _ _
1 0,13 0,06 8,2 2,75 1,65 0 0 0 0,07
. 2 0,13 0,06 8,.1 2,8 .1,62 0,19 0 0 0,07
3 0,13 o,06 8,1 2.,7 1,6 0,07 0 0 0,07
4 0,13 0,06 8 2,7 1,64 0 0,08 0 . 0,07
. 5 0,13 0,~6 7,8 2~8 1,6 0 0 0,15 0,07
6 0,13 0,06. 8,1 2,65 1,6 0,07 0,08 0 0,07
.7 0,13 0,06 8,.1 2,7 1,65 0 0,08 0,15 0,07
8 0,13 0,06 8 2,6 1,7 0,07 0 0,15 ~ 0,07
l _ . _ _ __ _
9 0,13 0,06 8,2 2t6 1,6 0,07 0,08 0,15 0,07
0,13 0,06 8,2 2,69 1j58 0,07 0,13 0,25 0,07
11 0,12 0,06 8,1 2,70 1,58 0,13 0,10 U,15 0,07
12 0,13 0,06 8,0 2,65 1,60 0,13 0,12 0,15 0,07
TABLEAV III
. . _ . _ . _ : ~ ~ . _
AlliageR O,~ Rm A RE
~ MPa MPa . .~ MPa
. . _ .. . ~ _
1 589 608 14,4 ~ 608
2 607 .666 7,1 : 675
.. 3 597 ~ 633 10 641
4 608 639 12 640
5.90. 610 13 610
.. _...... .. 6 .644 . 66~ 8,7 669
7 615 652 :12 660
8 591. 631 12 ~38
____________~. _______ _____ ________ ____. __ ______ _____ __
g 635 674 9,5 675
10 .663 703 9,2 692 .
11 658 697 - 9,9 691
12 1 651 70~ g,5 686
~ .- . . ___ _
.
,. .
--8--
' ' '
9~ 1
TABLEAU IV
_ _ _ __ ._
~ _ -- a R IO,2 ~ Rm ~ A~ RE ¦
Xep. ~ssais L~ ~ ~MP~) (~Pa) ~96) (MPa)
____ . . , _~ . __
A 3/1 Cr : 0~078~ 25 -4,434
.~ ~ 4/l Zr: 0,0819 31 -2,432
C 5/1 Mn: 0,15 1 2 -1,4 2
, _ _ _ _ ..
A ~ B ~ C _ _ 28, 58 -8, 268
___ ~ _ , ___ _
D 9/1 Cr : 0,07 66 -4~967
invention) . tZr : 0 ,08 46j . 66 -4,9 67
. _ tMn O 0 ,15 ~ _ - --; _
._ . .
TABLEAU V
_. ~ ~ Contraintes en
Rep, Composition chimique ~96 en,poids) t
de __~__________________________ ____ ____ ravers au mc,
coulé~ Fe Si Cu Zn Mg Mn Cr Zr ment dQ llécar-
r __ _ . 1 . _ _ 5 5 4 hP a
E 0,11 0,06 1,58 8 j25 2,61 0,33 0,22 0,12 618 MPa -~ -
_ _ . . _ . _ ~ _ ~ .
. 591 MPa .
F 0,14 0,07 1,60 8,21 2,65 0,27 0,22 0,13 598 MPa
. . .............. . . 623 MPa
_ ,, __ _ _ .
G 0 ,13 0, 04 1, 53 8, 25 2, 58 0, 27 0, 24 0 ,14 59~ KP~
.. , , . ~, .
- . . .. ,--
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