Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
130~Z,7~
TOLES EN ALLIAGE D'ALUMINIUM CONTENANT DU MAGNESIUM APTES
A LA FABRICATION PAR EMBOUTISSAGE-ETIRAGE
DE CORPS DE BOITES ET PROCEDE D'OBTENTION DESDITES TOLES
La présente invention est relative à des tôles en alliages
d'aluminium contenant du magnésium aptes à la fabrication par
emboutissage-éLirage de corps de boites et à un procédé d'obtention
desdites tôles.
L'homme de l'art sait qu'il est possible de couler en continu
les alliages d'aluminium directement sous la forme de bandes dans
des machines du type à rubans ou à cylindres telles que, par
exemp~e, celle qui est décrite dans le brevet francais n 1198006.
Ces bandes peuvent atteindre une largeur de 2 mètres et ont
généralement une épaisseur comprise entre 5 et 30 mm. Ce type
de coulée a l'avantage sur la coulée en plaques de forte épaisseur
d'éviter un nombre important de passes de laminage.
Les bandes ainsi obtenues peuvent être amenées à des épaisseurs
plus faibles allant jusqu'à quelques microns par une série
d'opérations de laminage à froid ou à chaud séparées ou non par
des opérations de recuit. En particulier, dans le cas où elles
sont destinées à la fabrication de corps de boîtes utilisées,
par exemple, au conditionnement de boissons gazeuses ou non, ces
bandes sont transformées en tôles d'épaisseur voisine de quelques
centaines de microns, dans lesquelles sont découpées des disques
circulaires qui, sous l'action combinée d'un poincon et d'une
matrice, sont transformés par emboutissage en un godet, lequel,
après une opération dite d'étirage visant à amincir ses parois,
pourra être utilisé comme corps de bolte.
Le changement de forme résultant du passage d'un disque plan à
un corps de boîte nécessite l'application d'efforts importan~s
et s'accompagne, notamment lors de l'étirage, d'un phénomène de
13Q4~
grippage ou "galling" qu'on peut définir comme une adhérence d'un
métal mou sur un métal dur. Dans le cas présent, des particules
d'aluminium sont arrachées à la surface de la tôle et viennent
adhérer à la surface de l'outil d'étirage en carbure de tungstène.
Ces particules, fortement écrouies et donc dures, provoquent
l'apparition de rayures sur le corps de la boîte, ce qui diminue
sa résistance mécanique et peut même conduire à sa rupture et
en tout cas nuire à son esthétique.
Pour éviter ce grippage et conférer aux corps de boîtes un aspect
esthétique convenable, plusieurs solutions ont été préconisées.
C'est ainsi que l'USP 3 930 895, mettant en oeuvre un alliage
du type 3004 suivant la norme de l'Aluminium Association, c'est-
15 à-dire ayant pour composition Si 0,3%, Fe 0,5%, Cu 0,25%, Mn 1
à 1,5%, Mg 0,8 à 1,3%, Zn 0,25%, solde Al, attribue les difficultés
rencontrées au fait que la coulée continue entre cylindres conduit
à la fvrmation de particules d'Al-Mn de dimensions inférieures
à 2 ~m, qui sont trop petites pour avoir un effet de nettoyage
sur l'outillage et contribuent donc à son encrassement. Il cite
le fait que, lorsqu'on traite un tel alliage obtenu en plaques
par coulée classique, ces particules ont une dimension de 15 à
/um et il n'y a pas alors encrassement. Voulant néanmoins
profiter des avantages de la coulée continue entre cylindres,
notamment en ce qui concerne l'uniformité de la microstructure,
l'inventeur préconise, pour augmenter la taille de ces particules,
de modifier la composition de l'alliage 3004 en faisant passer
la teneur en manganèse dans une fourchette comprise entre 2 et
3%.
L'USP 4 111 721 constate aussi ce phénomène de galling sur des
feuilles de 3004 et de 3003 et admet également qu'il faut accroître
la dimension des particules d'Al-Mn et d'Al-Mn-Fe pour le supprimer.
Toutefois, pour y parvenir, il enseigne, non pas une modification
au niveau de ]a composition mais, un traitement thermique effectué
de préférence à une température de 620C, pendant un intervalle
~ 3 ~ ~J~ ~
de temps compris entre 16 et 24 heures, traitement qui peut être
effectué soit sur la bande brute de coulée, soit sur la bande
ayant déjà subi une première série de passes de laminage.
5 Le brevet francais n 2 505 365 propose lui aussi une modification
de composition de l'alliage mis en oeuvre qui ne concerne plus
le manganèse mais, le silicium dont la teneur est accrue pour
se situer dans la fourchette 0,3-0,6% en poids.
Le brevet francais n 2 525 047 déposé par la demanderesse préconise
une solution tout à fait différente consistant à nettoyer
mécaniquement la surface de la bande et à la modifier par chauffage
dans l'air.
Si de tels procédés ont conduit à une forte réduction du phénomène
de grippage, ils n'ont néanmoins pas permis de le faire disparaitre
complètement.
C'est pourquoi la demanderesse poursuivant ses recherches pour
résoudre ce problème, a trouvé qu'il fallait que les tôles soumises
à l'emboutissage-étirage présentent un état de surface particulier
et que cet état pouvait être obtenu à partir d'alliages d'aluminium
de compositions très différentes ayant cependant entre eux un
point commun qui est la présence de magnésium.
Cet état particulier est caractérisé en ce que les tôles présentent
sur 10 à 25% de leur surface des particules formées d'oxydes
amorphes d'aluminium et d'oxydes cristallins de magnésium et
d'aluminium réparties de facon homogène, ayant la forme de disques
plats d'épaisseur infériellre à 5 ~m et de diamètre moyen largement
distribué autour d'une valeur moyenne comprise entre 2 et 15 ~m.
Ainsi selon l'invention, l'aptitude à l'emboutissage-étirage est-
elle liée comme l'enseigne l'USP 3 930 895, à la présence de
particules de dimensions relativement grandes se rapprochant de
celles observées dans les plaques mais, la ressemblance s'arrête
là car lesdites particules sont ici très differentes à la fois
du point de vue distribution, composition et forme. En effet,
1304Z~76
- ces particules ne sont pas répar~:ies dans toute la masse de
la tôle mais seulement en surface et de plus sur une portion
seulement de cette dernière.
- ces particules ne sont pas composées d'intermétalliques du type
Al-Mn ou Al-Mn-Fe mais d'oxydes de magnésium et d'aluminium à
la fois amorphes et cristallins.
- ces particules ont une forme bien particulière qui est celle
de disques plats ayant une épaisseur limitée à 5 ~m et un diamètre
moyen largement distribué autour d'une valeur moyenne comprise
entre 2 et 15 ~um.
Les particules de l'invention sont particulièrement reconnaissables
par examen de la tôle au microscope électronique par transmission
où elles apparaissent sous forme de gros amas de couleur noire
dispersés régulièrement dans une matrice plus claire et dont la
microanalyse révèle qu'ils sont constitués essentiellement d'oxydes
amorphes et cristallins d'aluminium et de magnésium.
Pour obtenir ces particules, il est donc nécessaire que l'alliage
de départ contienne du magnésium. Toutefois des teneurs aussi
faibles que 0,1% en poids conviennent parfaitement de même que
des teneurs allant jusqu'à 5% ne nuisent pas à l'obtention du
résultat.
Mais il faut savoir que l'invention est applicable aux alliages
contenant également jusqu'à 2% de manganèse etjou 1,5% de silicium,
éléments auxquels peuvent s'ajouter au moins un des éléments
suivants: Cu, Zn, Cr, Fe, jusqu'à une teneur respective en poids
égale à 0,5%; 0,5%, 0,5%, 0,7% et aussi des éléments d'affinage
tels que Ti et B jusqu'à 0,1% en poids pour chacun d'eux.
Ainsi une tôle en alliage d'aluminium désignée dans les normes
de l'Aluminium Association sous le repère 3004, c'est-à-dire
contenant en poids: Mg 0,8-1,3%; Mn 1,0-1,5%; Si 0,3%; Fe 0,7%,
13Q9~27~
Cu 0,25%, Zn 0,25% présentant une surface conforme à l'invention,
a permis d'obtenir avec un même outillage plus de 200 000 boîtes
sans qu'on constate ni casse, ni rayures.
De même un alliage référencé 5182 c'est-à-dire contenant en poids
4,0-5,0%Mg; SiO,20%; Cu0,15%; ZnO,25%; FeO,35% présentant la
structure revendiquée a permis également la fabrication de
nombreuses boîtes sans incident.
Il est à noter que les tôles en alliages d'aluminium chargées
en magnésium que la demanderesse a rendues aptes à l'emboutissage-
étirage suivant l'invention ont l'énorme avantage sur les tôles
en alliages au manganèse d'avoir une meilleure résistance à la
traction et permettent d'envisager des réductions d'épaisseur
et d'améliorer ainsi les prix de revient des boîtes.
Pour illustrer l'invention, on a joint à la présente demande
2 figures qui sont des micrographies de la surface de tôles au
grossissement 300.
- La figure 1 correspond à une tôle en alliage 3004 qui ne
présentait pas de particules et qui a donné lieu lors de l'étirage
à des casses dès la mise en forme du lOOOème corps de boîte.
- La figure 2 correspond à une tôle du même alliage présentant
des particules selon l'invention qui a permis la fabrication de
plus de 200 000 corps de boîtes sans rayures.
L'invention concerne également un procédé d'obtention desdites
tôles. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on soumet la bande
issue de la machine de coulée telle quelle ou après au moins une
passe de laminage, à un décapage chimique de manière à diminuer
son épaisseur d'au plus 2 ~m et ce avant de lui faire subir un
recuit à l'air entre 330 et 450C pendant au moins trente minutes.
13Q4276
De préferellce, ]es conditions de décapage sont choisies de manière
à obten-ir une réduction d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1 ~m.
Certes, il est connu de décaper des bandes d'aluminium résultant
de la coulée continue avec de la soude. On peut citer à ce sujet
le brevet allemand DE 2 418 642. Cependant, ce brevet a
essentiellement pour but d'éliminer les irrégularités de la bande
qui sont constituées de ségrégations, pores et autres défauts
analogues et qui ont des conséquences très fâcheuses sur les bandes
de métal particulièrement lorsque celles-ci sont transformées
ultérieurement en tôles, bandes ou feuilles de faible épaisseur.
Ceci suppose un décapage relativement fort puisqu'il est dit dans
ce brevet qu'on enlève une quantité de matière comprise entre
10 et 100 g/m2, ce qui correspond à une épaisseur de 3,7 à 37 ~m.
Ce type de décapage n'a donc rien à voir avec celui de l'invention
et, de plus, il ne vise nullement à éviter le grippage lors de
l'étirage des corps de boltes.
La demanderesse a constaté en effet avec surprise qu'un faible
décapage permet de révéler à la surface de la bande des zones
dures qui, après un recuit à l'air entre 330 et 450C pendant
au moins 30 minutes, conduisent aux particules telles què décrites
ci-dessus et ont donc pour effet de :
- diminuer le coefficient de frottement par durcissement de la
surface,
- diminuer l'adhérence entre l'outil et l'alllage,
- de nettoyer en permanence la bague d'étirage ce qui rend le
métal dégrippant ou auto-nettoyant.
I.e décapage peut s'effectuer au moyen de tout agent de décapage
mais, de préférence, à l'aide d'une solution contenant entre 0,1
et 10 g/l de NaOH dans laquelle est plongée la bande pendant une
durée convenable pour ne pas enlever une épaisseur de métal
supérieure à 2 ~m. Cette durée est fonction de la composition
de l'alliage mis en oeuvre et des opérations de laminage subies
13~4Z76
par la bande. Ce décapage est réalisable à la température ambiante
c'est-à-dire au voisinage de 20C mais, pour diminuer la durée
du traitement, on peut aussi le faire à toute température inférieure
à 100C. De préférence, on se place dans l'intervalle 70-80C.
Des essais complémentaires ont montré que les résultats pouvaient
encore être améliorés en procédant à un brossage comme dans le
brevet fran,cais n Z 525 047 après avoir décapé la bande et avant
de lui faire subir le recuit. Ce brossage semble avoir pour effet
de mieux répartir les ~ones dures sur toute la surface de la bande
et par suite de générer des surfaces anti-grippantes plus homogènes.
Des conditions optima de recuit sont réalisées dans la gamme de
températures comprises entre 350 et 400C pendant une durée comprise
entre 1 et 2 heures.
L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application
suivant :
Une bande de largeur 1100 mm, d'épaisseur 8 mm, de composition
en poids % :
Si Fe Cu Mn Mg Ti Al
0,28 0,42 0,10 1,00 1,05 0,02 Solde
a été obtenue par coulée entre cylindres.
Elle a subi la gamme de transformation suivante :
- homogénéisation à 600C pendant 10 heures,
- laminage à froid jusqu'à 2,7 mm,
- recuit 2 h à 350C,
- laminage à froid jusqu'à 1,2 m,
- décapage: 45 secondes dans une solution à 5 g/l de NaOH à 70C
de manière à enlever une épaisseur de métal de 0,8 ~m,
- brossage,
- recuit 2 h à 400C
- laminage à froid jusqu'à 0,33 mm.
Le métal a ensuite été utilisé pour la réalisation de corps de
boîtes de diamètre 0 66 mm et de hauteur moyenne 130 mm par
emboutissage et étirage.
Sur une série de 200 000 boîtes, aucune n'a présenté de rayures.
Par contre, le métal ayant subi la même gamme de transformation
sans le décapage, n'a pas permis de produire des boîtes sans
rayure ; au-delà de 500 boites, les rayures augmentent avec le
nombre de boites réalisées, et on assiste au bout de 1 000 boîtes
à la rupture des parois du corps de boite.
