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Procédé de fabrication d'une bande de tille d'acier
pour la réalisation d'emballa4es métallictues par emboutissa4e
et tille d'acier obtenue
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une bande de tôle
d'acier pour la réalisation d'emballages métalliques et la tôle obtenue par le
procédé.
Pour la fabrication par emboutissage de produits d'emballage en
1o acier tels que des boites pour produits alimentaires ou pour boissons, on
utilise des flans découpés dans des tbles minces dont les caractéristiques
doivent âtre adaptées au procédé de formage par emboutissage et qui doi-
vent présenter des caractéristiques mécaniques requises en fonction de
leur utilisation.
II peut âtre nécessaire d'obtenir des tôles présentant de fortes ca-
ractéristiques mécaniques, en particulier une résistance mécanique et une
limite élastique élevées pour réaliser des fonds ou des corps de boites mé-
talliques ayant une très bonne tenue, méme dans le cas de tôles très min-
ces pour la réalisation de certains emballages.
zo II est connu en particulier de fabriquer des tôles pour emballages di-
tes de qualité double réduction (DR) dont la résistance mécanique est supé-
rieure ou égale à 550 MPa. Ces bandes de tôle 'sont obtenues à partir de
tôles à chaud, en réalisant successivement un premier laminage à froid, un
recuit, généralement en continu, de la tôle laminée à froid, puis un second
laminage à froid comportant deux passes successives généralement réali-
sées sur un laminoir skip-pass.
Toutefois, les caractéristiques mécaniques élevées des tôles sont
obtenues au détriment de (aptitude au formage de ces tôles, en sortie de la
seconde passe du laminage à froid final. II est souhaitable de remédier à
30 cet inconvénient.
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la
En particulier, il serait souhaitable d'obtenir des t0les à hautes ca-
ractéristiques mécaniques présentant une bonne aptitude à l'emboutissage
au rétreint.
Le niveau des caractéristiques mécaniques de la taie qui est obtenu
à l'issue du second laminage à froid est fonction du taux de réduction ou de
l'allongement de la tble obtenu au cours des deux passes du second lami-
nage.
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Bien entendu pour des allongements importants, l'écrouissage de la
tble qui est élevé s'accompagne d'une aptitude au formage médiocre.
Le procédé de double réduction, qui met en oeuvre un second lami
nage à froid en deux passes après le recuit des tôles, a été appliqué à des
nuances d'acier pour emballages aussi bien du type à ultra bas carbone
(ULC) dont la teneur en carbone est inférieure à 0,008 % qu'à des aciers
d'autres types, par exemple à des aciers à bas aluminium renitruré renfer-
mant de 8 à 16 millièmes pour cent d'azote.
Dans tous les cas, l'obtention de caractéristiques mécaniques plus
élevées se traduit par une diminution de l'aptitude au formage.
Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de fabrication
d'une bande de tôle d'acier pour la réalisation d'emballages métalliques par
emboutissage, dans lequel
- on élabore une bande laminée à chaud en un acier ayant la compo-
sition pondérale suivante
carbone jusqu'à 0,08 °h,
silicium s 0,020 %,
manganèse compris entre 0,05 % et 0,60 %,
soufre s 0,020 %,
. phosphore s 0,020 %,
azote jusqu'à 0,016 %,
aluminium jusqu'à 0,060 %,
cuivre s 0,06 °h,
nickel 5 0,040 °h,
. ainsi qu'éventuellement du chrome et du bore,
le reste étant constitué par du fer et des impuretés inévitables,
on effectue un premier laminage à froid de la bande laminée à
chaud pour obtenir une ébauche,
- on soumet (ébauche à un recuit de recristallisation en continu,
- on effectue un second laminage à froid de l'ébauche en au moins
deux passes pour obtenir la bande de tôle pour emballage à son épaisseur
finale,
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ce procédé permettant d'obtenir des caractéristiques mécaniques au moins
aussi élevées que dans le cas des procédés de fabrication à double réduc-
tion, avec un écrouissage plus faible de la t8le et donc une meilleure apti-
tude au formage.
Dans ce but, entre les deux passes du second laminage à froid, on
soumet la bande de tble d'acier à un vieillissement à une température au
plus égale à 300°C pendant une durée pouvant aller de quelques minutes
à
plusieurs jours.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à
titre d'exemples non limitatifs, en se reportant aux figures jointes en
annexe,
la fabrication d'une bande de t8le par le procédé suivant l'invention, dans
deux cas où la bande de tale est en un acier calmé à (aluminium, sans élé-
ment carburigène et/ou nitrurigène, dans un premier cas, en acier ultra bas
carbone et, dans un second cas, en acier à bas aluminium renitruré.
Exemple 1 : cas d'un acier à ultra bas carbone ULC.
Les aciers à ultra bas carbone sont généralement caractérisés par
une composition chimique telle que définie ci-dessous
- carbone s 0,006 °h,
- silicium s 0,02 %,
- 0,15 % s manganéses0,25 %,
- soufre s 0,015 %,
- phosphore 5 0,017 %,
- azote 5 0,006 %,
- aluminium entre 0,02 °h et 0,04 %,
le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
On a élaboré un acier ULC renfermant en particulier (en millièmes de
pour cent) C = 3,5 ; N = 6,5 ; Mn = 185 et AI = 33. L'acier a été coulé en
continu sous forme d'une brame qui a été laminée à chaud. La bande lami
née à chaud a subi un premier laminage à froid pour la transformer en une
ébauche d'une épaisseur de 0,2.4 mm.
L'ébauche a été soumise à un second laminage à froid dans un lami-
noir skin-pass.
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On se reportera au tableau I indiquant les traitements effectués sur la
tôle, au cours du second laminage à froid.
TABLEAU I
Allongt AllongtAllongtRe Re (MPa)
Rf 1'" TT Re 2' total (MPa) aprs
tles passe (MPa) passe sortie 200C/20
SP mn
A 43% 562 606
B 31 % 527 9 % 43 % 558 610
C 31 % 20C/10j 568 9 % 43 h 594 648
D 31 % 75C/30mn 561 9 % 43 % 605 648
E 31 % 75C/3h 552 9 % 43 % 616 665
F 31 % 200C/20mn 565 9 % 43% 616 668
G 31 % 20C/3j 560 9 % 43 % 589 621
Les tôles désignées par les références A et B n'ont pas été soumises
à un traitement suivant l'invention. Les tôles A et B obtenues à l'issue du
second laminage à froid au skin-pass sont désignées comme tôles compa-
ratives.
En revanche, les tôles désignées sous les références C à G ont été
soumises, selon le procédé de l'invention, à un second laminage à froid en
deux passes avec vieillissement entre les deux passes de laminage au skin-
pass.
Dans tous les cas, l'allongement total de la tôle est de 43 %, cet al-
longement étant obtenu en une seule passe dans le cas de la tble A.
L'allongement est obtenu en deux passes (respectivement 31 et 9
d'allongement), sans traitement de vieillissement intermédiaire entre les
deux passes, dans le cas de la tôle B.
La tôle C est soumise à un vieillissement de 10 jours à 20°C et la
tôle
D à un traitement de vieillissement à 75°C pendant 30 minutes,
entre les
deux passes du laminage à froid.
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Un traitement thermique de vieillissement d'une durée de 3 heures à
75 °C est effectué sur la tôle E entre les deux passes du laminage à
froid
final avec des allongements de 31 et 9 %.
Un traitement de vieillissement à 200°C pendant 20 minutes est ef-
5 fectué entre les deux passes du laminage à froid final au skin-pass
(allongements de 31 et 9 %) dans le cas de la t8le F et la t8le G est sou-
mise à un vieillissement de trois jours à 20°C entre les deux passes du
la-
minage final.
On a mesuré la limite élastique des taies en MPa, à l'issue du traite-
ment thermique après la première passe du laminage à froid au skin-pass,
lorsque deux passes de laminage sont réalisées (tbles B à G) ; les limites
élastiques correspondantes sont reportées dans la quatrième colonne du
tableau I.
On a également mesuré les limites élastiques des tbles immédiate-
ment en sortie du skin-pass (7~'"' colonne du tableau I) et après un maintien
de 20 minutes à 200°C de la tôle après sa sortie du skin-pass (8''"'
colonne
du tableau I).
II apparaît que dans tous les cas l'allongement important de la tôle au
cours du second laminage effectué au skin-pass (43 °h) permet
d'obtenir, en
sortie du skin-pals, une limite élastique élevée toujours supérieure à 550
MPa, cette limite élastique étant supérieure à 600 MPa après 20 minutes à
200°C.
Pour le mémo taux d'allongement total, les limites élastiques obte-
nues sont légèrement supérieures, lorsque le laminage final au skin-pass
est réalisé en deux passes (avec des taux d'allongement respectivement de
31 % et 9 %). La taie B qui est réalisée avec un second laminage en deux
passes présente donc des caractéristiques mécaniques, après 20 minutes à
200°C, légèrement supérieures à la tble A réalisée par un second
laminage
en une seule passe.
Selon l'invention, une amélioration supplémentaire est apportée par
un traitement de vieillissement entre les deux passes de laminage du lami-
nage final.
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Comme il est visible à la quatrième colonne du tableau I, la limite
élastique entre les deux passes de laminage est considérablement accrue
par un traitement de vieillissement, comme il apparait en comparant les li-
mites élastiques des tbles C à G à la limite élastique de la tôle B.
On ne décèle pas de différence notable entre un vieillissement à une
température modérée de 75°C pendant trois heures et un vieillissement à
une température plus élevée de 200°C pendant 20 minutes, ni entre un
vieillissement à température ambiante (20°C) pendant 3 ou 10 jours et
un
vieillissement à 75°C pendant 30 minutes.
Après la seconde passe de laminage, les limites élastiques, immé-
diatement à la sortie du skin-pass ou après 20 minutes à 200°C, sont en-
core accrues du fait de l'écrouissage apporté par la seconde passe de lami-
nage.
Les limites élastiques finales obtenues sur les tbles C à G dont féla-
boration est réalisée suivant l'invention sont sensiblement plus élevées que
les limites élastiques finales des tbles A et B obtenues par un procédé de
deuxième laminage en une passe (tôle A) ou de deuxième laminage en
deux passes (tble B) selon l'art antérieur, le taux d'allongement total étant
identique dans tous les cas.
Le procédé suivant (invention permet donc d'obtenir, pour un
écrouissage total de la tble identique, des caractéristiques mécaniques su-
périeures. Du fait que l'aptitude au formage de la tble et en particulier (ap-
titude à (emboutissage dépendent de (écrouissage, on peut obtenir des
tôles présentant en màme temps des caractéristiques de formage satisfai-
sautes et des caractéristiques mécaniques élevées.
II serait également possible d'obtenir des tbles ayant les mémes ca-
ractéristiques mécaniques que des tbles obtenues par un procédé classique
de fabrication à double réduction, avec un allongement total et donc un
écrouissage inférieur, en pratiquant un vieillissement entre deux passes du
laminage final. Pour des caractéristiques mécaniques données, on améliore
dans ce cas l'aptitude au formage des tbles.
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De manière générale, dans le cas d'acier à ultra bas carbone, on
peut effectuer le vieillissement à une température ambiante de l'ordre de
20°C pendant une durée de 3 à 10 jours, à une température modérée com-
prise entre 50 et 100°C pendant une durée de 1 à 5 heures, ou encore, à
une température plus élevée, comprise entre 150 et 300°C, pendant une
durée comprise entre 10 minutes et 1 heure. Par exemple, on peut effectuer
le traitement de vieillissement à une température de (ordre de 75°C pen-
dant une durée de 30 mn à 3 heures ou à une température de l'ordre de
200°C pendant une durée de l'ordre de 20 minutes (tôle F)
Exemple 2
On a élaboré un acier à bas aluminium renitruré renfermant en parti-
culier (en millièmes de pour cent) C = 64 ; N = 9,1 ; Mn = 285 et AI = 15. On
réalise une bande laminée à chaud puis on lamine la bande par un procédé
à double réduction dont le laminage final au skip-pass est réalisé avec un
allongement total de 28 %.
Comme il est visible au tableau II, on a réalisé l'élaboration de quatre
tôles ayant la composition donnée ci-dessus par un procédé à double ré-
duction dont le deuxième laminage à froid est réalisé au skip-pass avec un
taux d'allongement de 28 %.
TABLEAU II
Allongt Allongt Allongt Re
Rf 1~" passeTT Re 2a"" total (MPa)
tles (MPa) passe sortie
SP
A' 28 % 570
B' 20 % 20C/3j 601 6 % 28 % 595
C' 20 % 75C/10 h 600. 6 % 28 % 635
D' 20 h 200C/20 630 6 % 2B % 625
mn
La tble A' est réalisée par un procédé d'élaboration suivant l'art anté-
rieur alors que les tôles B', C' et D' sont réalisées par un procédé selon fin-
vention.
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Dans le cas de la tble A', le second laminage à froid est réalisé en
une seule passe avec un taux d'allongement de 28 %.
La limite élastique de la tble à la sortie du skin-pass est de 570 MPa.
Les tbles B', C' et D' ont été réalisées par un procédé suivant finven-
tion dans lequel le second laminage à froid est réalisé en deux passes (20%
et 6 % d'allongement respectivement) avec un traitement thermique de
vieillissement entre les deux passes.
Les procédés d'élaboration des tbles B', C' et D' se distinguent par
les conditions dans lesquelles est réalisé le traitement thermique entre les
deux passes du laminage final.
La tble B' a été vieillie à une température ambiante de 20°C
pendant
trois jours. La tble C' a été vieillie à une température modérée de
75°C pen-
dant 10 heures et la tble D' a été vieillie à une température supérieure de
200°C pendant 20 minutes.
Les limites élastiques obtenues à la sortie du skin-pass après la se-
tonde passe de laminage produisant un allongement de 6 % sont toutes
supérieures à la limite élastique de la tble A' obtenue par un laminage au
skin-pass en une seule passe.
Bien qu'un vieillissement de longue durée à la température ambiante
soit satisfaisant (tble B'), il est préférable de réaliser le vieillissement à
une
température plus élevée, pendant une durée plus courte.
De maniére générale, il apparait que le vieillissement intermédiaire
est d'autant plus rapide que la température de vieillissement est élevée.
Cependant, un vieillissement significatif peut étre obtenu à la température
ambiante.
On a pu montrer que le vieillissement intermédiaire entre les deux
passes du laminage à froid final est d'autant plus important et rapide que la
teneur des éléments dans l'acier après recuit et en particulier après recuit
continu, est plus importante. On a également pu montrer que le vieillisse-
ment intermédiaire était d'autant plus important et rapide que le taux d'al-
longement ou de réduction au cours de la première passe du second lami-
nage à froid était important. On a donc intér8t à effectuer la première passe
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à un taux de réduction élevé et la seconde passe à un taux de réduction
plus faible pour un taux de réduction total donné.
L'amélioration des caractéristiques mécaniques des t8les du fait du
traitement de vieillissement entre les deux passes du laminage à froid final
peut âtre expliquée par les mécanismes décrits ci-après
Au cours de la première passe de laminage au skin-pass, on crée un
réseau de dislocations dans la tale et au cours du traitement de vieillisse
ment ultérieur, les éléments tels que le carbone et l'azote diffusent dans
l'acier et réalisent (ancrage des dislocations pour constituer un premier ré
seau de dislocations.
Au cours de la seconde passe de laminage au skin-pass, on crée un
nouveau réseau de dislocations ou second réseau de dislocations.
Pour un mémo taux de déformation total au skin-pass, on obtient une
configuration tout-à-fait nouvelle du réseau des dislocations dans la tille.
Cette nouvelle configuration du réseau de dislocations permet d'ex-
pliquer l'obtention d'une meilleure aptitude au formage pour des caractéris-
tiques mécaniques déterminées ou l'obtention de caractéristiques mécani-
ques supérieures en maintenant une bonne aptitude au formage.
L'invention s'applique à tous les aciers pour taies AI-K, c'est-à-dire
les aciers calmés à (aluminium, sans éléments carburigènes et/ou nitrugi-
gènes, lorsque ces aciers pour t3les sont recuits en continu.
L'acier s'applique en particulier aux aciers à bas aluminium renitruré
ayant la composition pondérale suivante
carbone compris entre 0,05 et 0,08 %,
manganèse compris entre 0,200 et 0,450 °~,
aluminium < 0,020 %,
azote compris entre 0,008 et 0,016 °h,
soufre < 0,020 %,
silicium < 0,020 °~,
le reste étant constitué par du fer et des éléments résiduels.
Dans ce cas, le traitement de vieillissement peut âtre réalisé à une
température proche de 20°C, pendant une durée de 3 à 10 jours, ou à une
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température modérée comprise entre 50 et 100°C pendant une durée de 5 à
heures, ou encore, à une température plus élevée comprise entre 150 et
300°C pendant une durée comprise entre 10 minutes et 1 heure.
L'invention s'applique également aux aciers à ultra bas carbone dont
5 la composition générale est donnée plus haut.
Les tôles obtenues par le procédé de (invention peuvent âtre utili-
sées dans toutes les applications des tbles pour emballage de qualité DR.
En particulier, les t0les peuvent 8tre découpées pour la réalisation de flans
destinés à la fabrication de corps ou de fonds de boites deux ou trois pièces
10 à fortes caractéristiques mécaniques.
Du fait de leurs caractéristiques mécaniques améliorées, les tijles
obtenues par le procédé de l'invention peuvent âtre utilisées dans des
épaisseurs plus faibles.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été dé-
15 crits.
Le taux d'allongement total au cours du second laminage à froid peut
âtre différent des taux d'allongement indiqués plus haut. De mi~me, la ré-
partition des pourcentages d'allongement entre la première et la seconde
passe du second laminage à froid peut 8tre différente des répartitions indi-
quées plus haut.
II est m8me possible d'effectuer un second laminage à froid avec un
taux d'allongement plus élevé au cours de la seconde passe qu'au cours de
la première, bien que cette répartition des déformations soit moins favorable
que la répartition mentionnée plus haut, c'est-à-dire avec un allongement au
cours de la première passe du second laminage supérieur à l'allongement
au cours de la seconde passe du second laminage.
Dans le cas d'un acier à ultra bas carbone, on effectue de préférence
le second laminage à froid avec un taux d'allongement compris entre 25
°h
et 35 % au cours de la première passe de laminage et avec un taux d'allon-
gement inférieur à 15 °~ et de préférence compris entre 5 % et 10 % pen-
dant la seconde phase de laminage.
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Dans le cas d'un acier à bas aluminium renitruré, on effectue de pré-
férence le second laminage avec un taux d'allongement compris entre 15
et 25 % pendant la première passe de laminage et un taux inférieur à 10 %,
pendant la seconde passe du second laminage à froid.
Enfin, le procédé suivant l'invention peut âtre appliqué à la fabrica-
tion de bandes métalliques minces destinées à la réalisation d'emballages
métalliques dans des nuances différentes des nuances à ultra bas carbone
ou à bas aluminium renitruré qui ont été décrites plus haut.
