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,1.
ALLIAGES D'AL POUR EMBOUTISSAGE-ETIRAGE RESISTANTS, FORMABLES ET
ISOTROPES
L'invention concerne des alliages â 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.
On sait que les alliages habituellement utilisés pour la fabrication de
corps de boites étirées sont les alliages 3004 ou 3104, suivant les
désignations de l'Aluminum Association.
L' évolution actuelle pousse â rechercher des alliages â 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 propriétës sont
relativement contradictoires.
Ainsi dans le brevet US-A-4318755 des alliages de ce type sont
revendiqués mais leurs caractéristiques mécaniques à l'ëtat 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.
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.
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
2077315
2
relativement élevée est préférée.
Selon la présente invention, il est prévu un alliage à base
d'Al destiné à l'emboutissage et/ou l'étirage, caractérisé en
ce qu'il comprend essentiellement (en poids)
Fe <_ 0, 25
Si <_ 0,25
Mn de 0, 8 à 1, 6
Mg de 0, 7 à 2, 5 (I)
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
et en ce que la relation suivante est respectée:
Mn - 2,25% Fe z 0,05.
Dans un autre mode de réalisation, la composition pondérale
de l'alliage est la suivante:
Fe de 0,7, 1,5
Si <_ 0,4
Mn ~ 0,8
Mg de 1, 5 3
Cu de 0 0, 6 (II)
Cr de 0 0,35
Ti de 0 0, 1
V de 0 0,1
autres lments:
chacun s 0,05
Total: s 0,15
Reste A1.
Selon la présente invention, il est également prévu une tôle
2077315
2a
ou bande laminée en alliage à base d'Al destinée à
l'emboutissage et/ou l'étirage, caractérisée en ce que
l'alliage comprend(en poids ~):
Mn de 0,8 à 1,6
Mg de 0,7 à 2,5
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 s 0,05
Total: s 0,15
Reste A1
et caractérisée en ce que les teneurs en Fe et Si sont
contrôlées chacune à moins de 0,25% et en ce qu'à l'état
homogénéisé ou à l' état laminé à chaud, la structure de la
tôle ou bande laminée est constituée d'une matrice à base d'Al
contenant de précipités primaires et secondaires régulièrement
répartis, en l'absence de "bandes blanches".
Selon la présente invention, il est également prévu un alliage
à base d'Al destiné à l'emboutissage et/ou l'étirage,
caractérisé en ce qu'il inclut (en poids %):
Fe < 0, 25
Si < 0,25
Mn de 1, 05 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 Al
ledit alliage étant sous la forme d'une tôle ou bande laminée
2017315
2b
obtenue par coulée en lingots ou en bandes, homogénéisation
ou un rêchauffage desdits lingots ou bandes, un laminage à
chaud, un laminage à froid sans recuits) intermédiaire(s),
le taux de déformation à froid étant supérieur à 50ô, ledit
alliage étant sensiblement sans "bandes blanches" dans la
structure micrographique de lingots ou bandes après
homogénéisation ou réchauffage.
Selon la présente invention, il est également prévu un alliage
l0 à base d'Al destiné à l'emboutissage et/ou l'étirage,
caractérisé en ce qu'il inclut (en poids %):
Fe < 0,15
Si < 0,25
Mn de 1,2 à 1,6
Mg de o,8 â 1,2
Cu de 0,2 â 0,6
Cr de 0 â 0,35
Ti de 0 à 0,1
V de 0 à 0,1
20 autres éléments:
chacun < 0,05
Total: < 0,15
Reste A1
ledit alliage étant sous la forme d'une tôle ou bande laminée
obtenue par coulée en lingots ou en bandes, homogénéisation
ou un réchauffage desdits lingots ou bandes, un laminage à
chaud, un laminage â froid sans recuits) intermédiaire(s),
le taux de déformation à froid étant supérieur à 50~, ledit
alliage étant sensiblement sans "bandes blanches" dans la
30 structure micrographique de lingots ou bandes après
homogénéisation ou réchauffage.
Dans les compositions (I), une teneur en Cu supérieure ou
égale à 0,20 ou même o,25~ est préférable. De même, il est
préférable d'avoir une teneur en Fe s 0,20, ou mieux
inférieure à 0,15.
2077315
2c
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:
~ Mn + 0,9~ Fe + 0,3~ Mg <_ 1,9.
Ainsi on obtient des taux de déformation à froid, définis par:
(épaisseur initiale - épaisseur finale)/épaisseur initiale,
supérieurs à 50~, ou même 60 ou 65~, sans recuits)
intermédiaire(s), tout en conservant une isotropie élevée.
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3
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,
i 1 y a appari ti on dans 1 a structure mi crographique de "bandes bl anches"
aprês 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-delâ de 1,6 % Mn, il y a
apparition de particules intermétalliques primaires néfastes vis-â-vis de
lo la formabilité au cours du laminage ou des opérations d'emboutissage
et/ou d'étirage, et pour Mg z 2,5 %, il y a apparition de défauts à
l'étirage, par exemple le collage sur la filiëre (aussi appelée bague) et
une trop grande anisotropie.
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 revëtements.
Au-dessus de 0,35 % de Cr, il y a apparition de composés intermétalliques
2 0 primaires grossiers néfastes à la formabilité par effet d'endommagement.
Les limites supérieures en Ti et V sont justifiées par cette même raison.
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'â 0,25 % Cr.
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%.
30 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.
:Y.a, j,
2017315
4
au-dessus de 1,5~ Fe, il y a apparition de phases
primaires grossiêres 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 â
l'emboutissage- étirage par endommagement. Si Mg est
inférieur à 1,5~, les caractéristiques mécaniques sont
insuffisantes.
l0 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 â la formabilité
(endommagement). Les teneurs en Cr et V sont limitées
supérieurement pour cette même raison.
Une composition préférée contient de 1,1 à 1,4~ Fe, de 1,6
20 à 2,5~ Mg et jusqu'à 0,25 Cr.
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).
Selon la présente invention, il est donc prévu pour l'alliage
30 (I), objet de cette demande, un 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 2,5; 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 = chacune 5 0,05; total <_ 0,15, reste: A1
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4a
- une homogénéisation ou un réchauffage, un laminage à
chaud, et un laminage à froid, sans recuits)
intermédiaire(s).
Dans ce procédé, de préférence %Mn - 2,25% Fe > 0,5o et le
taux de dëformation à froid est supérieur à 50%.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé
d'obtention d'une bande laminée en alliage d'A1 destinée à
l'emboutissage et/ou à l'étirage, comprenant la coulée d'un
alliage comprenant (en poids s):
Mn de 0,8 à 1,6
Mg de 0,7 à 2,5
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
dans lequel Fe et Si sont contrôlés à moins de 0, 25%, avec
Mn - 2,25% Fe z 0,50, une homogénéisation ou un réchauffage,
un laminage à chaud, un laminage à froid, sans recuits)
intermédiaire(s), le taux de déformation à froid étant
supérieur à 50%.
Selon la présente invention, il est également prévu un procédé
d'obtention d'une tôle ou bande laminée, incluant:
- l'obtention d'un alliage à base d'Al incluant
essentiellement (en poids %):
Fe < 0, 25
Si < 0, 25
Mn de 1, 05 à 1, 6
Mg de 0,7 à 2,5
Cu de 0,20 à 0,6
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4b
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
- coulée dudit alliage,
- laminage à chaud,
- laminage à froid sans recuits intermédiaires,
ledit alliage étant sensiblement sans "bandes blanches" dans
la structure micrographique de lingots ou bandes après ledit
homogénéisation ou réchauffage, le taux de déformation à froid
étant supérieur à 50ô.
Pour l'alliage(lI)il est prévu un procédé d'obtention d'une
bande laminée en alliage d'A1 comprenant:
- la coulée d' un alliage contenant ( en poids ~ ) de 0, 7 â
1,5 Fe; jusqu'à 0,4 Si; Mn 5 0,8; de 1,5 à 3 Mg; jusqu'à
0,6 Cu; jusqu'à 0;35 Cr; jusqu'â 0,1 Ti; jusqu'â 0,1 V;
impuretés: jusqu'à 0,05 chacune et 0,15 au total,
- une homogénéisation ou un réchauffage, un laminage à
chaud, et un laminage à froid, sans recuits)
intermédiaire(s).
De préférence, le taux de déformation â froid est supérieur
à 50~.
on obtient ainsi des ébauches adaptées aux opérations
d'emboutissage et d'étirage.
Les alliages (I) et (II) peuvent être laminés à froid avec
recuit intermédiaire.
I1 est à noter que les produits conservent une bonne
isotropie même si les taux de déformation â froid dépassent
50~, ou même 60 ou 65~ sans recuits) intermédiaire(s).
2077315
. . 5
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.
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".
Les alliages selon l'invention sont donc caractërisés par une répartition
très homogène des précipités primaires et secondaires dans une matrice à
base d'A1 dès le stade du lingot.
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.
La figure 4 est un profil schématique de la répartition des précipités
(fraction volumique en %) en fonction de la distance(en gym) comptée à
partir d'une zone interdendritique sur une coupe transversale d'une
dendrite ayant environ 95 ~m de large pour un alliage 3004 classique
(trait épais) et un alliage selon l'invention (trait mince).
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-aprés.
Le t aux de cornes : S a /~ - H oc - H
H
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6
où H a - (H + H180-a + H180~- a + 11360-a )/4
H étant la hauteur de l'embouti cylindrique dans une direction faisant
un angle a avec la direction de laminage et
H la hauteur moyenne de l'embouti cylindrique définie par
n
H = E (H a )
1 n
n étant le nombre d'extréma - 2 x nombre de cornes - voir norme NFA
50-301, juin 1976
Le LDR (iimiting drawing ratio) est la valeur du rapport . A maxi flan/
p1 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 déterrninëes de géomëtrie d'outillage (filière/
poinçon), de lubrification, d'épaisseur initiale, de nombre de passes,
z0 (généralement 3), etc...., eo ëtant l'épaisseur initiale de la paroi et
ef ëtant l'épaisseur finale.
Les exemples suivants (1 à 5) illustrent l'invention vis-à-vis de
l'alliage 3004 pris comme rëférence (exemple 0). Les exemples 1 à 3 sont
relatifs aux compositions (I) et les exemples 4 et 5 aux compositions
(II).
Les alliages dont la composition chimique est reportée au tableau I ont
été coulés en plateaux de 1100 x 300 x 2650 ~~m3. homogënëisés ou
3 0 réchauffés, scalpës, laminés à chaud jusqu'à 3mm d'épaisseur et à froid
jusqu'à 0,3 mm d'épaisseur, avec ou sans recuit intermëdiaire dans les
conditions dëtaillées au tableau 2 (état H 19),
Une simulation de la cuisson des vernis a été effectuëe par maintien de
10 minutes à 204°C (état H 28).
Les résultats obtenus sont reportés au tableau 3.
f',~~~-r ~ k:
2077315
. . 7
On peut constater
- que l'exemple 1 prësente des caractéristiques mécaniques élevées et une
faible anisotropie avec une formabilitè comparable à celle du 3004.
- que l'exemple 2 prêsente 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 â celle du 3004.
L'invention trouve une application principale dans la fabrication de
boites 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.
Tableau 1
Composition chimique (poids %)
Exemple n° Fe Si Cu Mn Mg Ti Cr Observ.
0 0,39 0,21 0,17 0,95 1,2 0,02 - Référenc
1 0,1 0,05 0,25 1,4 1,05 0,02 - (I)
2 0,1 0,1 0,5 1,5 1 0,02 - (I)
3 0,13 0,08 0,45 1,45 0,95 0,02 - (I)
'i 4 1,25 0,12 0,6 0,03 2,05 0,02 - (II)
1,22 0,15 0,45 0,25 1,98 0,02 0,25 (II)
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9
Tableau 3
Exemplen
Etat Proprit 0* 1** 2** 3** 4** 5**
(a)
H19 R0,2 (MPa) 280 305 335 290 305 350
" S45/90 (%) 8 3,5 4 2 8 5
LDR 2,08 1,95 1,92 2,01 2,1 1,96
" LIR (%) 77 73 72 75 76 73
H28 R0,2 (MPa) 265 290 312 275 270 305
* Alliage 3004 (a) Etat H16
** selon l'invention
