PROCEDE DE FABRICATION DE BANDES TRES MINCES EN ALLIAGE ALUMINIUM-FER

PROCESS FOR MANUFACTURING ALUMINUM IRON ALLOY THIN STRIPS

English Abstract

The object of the invention is a method for manufacturing aluminum alloy strips with a thickness less than or equal to 12 µm, including: - elaboration of an alloy with composition (weight %): - i:0.15-0.40 Fe: 1.10-1.70 Mg<0.02 Mn:0.30-0.50 other elements <0.05 each and total <0.15, remainder is aluminum, - continuous casting between rolls of a strip of this alloy with a thickness between 2 and 10 mm,- homogenization of this strip at a temperature between 450 and 620°C. with a duration between 8 and 40 hrs,- cold-rolling of this strip intermediate annealing of this cold-rolled strip to a temperature between 200 and 400°C, and with a duration between 8 and 15 hrs, -cold-rolling of the annealed strip up to the final thickness less than or equal to 12 ?m,-final annealing of the strip at a temperature between 200 and 300°C., with a duration of at least 50 hrs. The method is notably applied to the manufacturing of strips for aseptic food packages of the brick type.

French Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur inférieure ou égale à 12 µm, comportant : - l'élaboration d'un alliage de composition (% en poids) : Si : 0,15 - 0,40 Fe : 1,10 - 1,70 Mg < 0,02 Mn : 0,30 - 0,50 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, - la coulée continue entre cylindres d'une bande de cet alliage d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, - l'homogénéisation de cette bande à une température comprise entre 450 et 620°C d'une durée comprise entre 8 et 40 h, - le laminage à froid de cette bande, - le recuit intermédiaire de la bande laminée à froid à une température comprise entre 200 et 400°C, et d'une durée comprise entre 8 et 15 h, - le laminage à froid de la bande recuite jusqu'à l'épaisseur finale inférieure ou égale à 12 µm, - le recuit final de la bande à une température comprise entre 200 et 300°C, d'une durée d'au moins 50 h. Le procédé s'applique notamment à la fabrication de bandes destinées à des emballages alimentaires aseptiques du type briques.

Claims

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REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur
inférieure
ou égale à 12 µm, comportant :
- l'élaboration d'un alliage de composition (% en poids) :
Si : 0,15 - 0,40 Fe : 1,10 - 1,70 Mg < 0,02 Mn : 0,30 - 0,50
autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium,
- la coulée continue entre cylindres d'une bande de cet alliage d'épaisseur
comprise
entre 2 et 10 mm,
- l'homogénéisation de cette bande à une température comprise entre 450 et
620°C
d'une durée comprise entre 8 et 40 h,
- le laminage à froid de cette bande,
- le recuit intermédiaire de la bande laminée à froid à une température
comprise
entre 200 et 400°C, et d'une durée comprise entre 8 et 15 h,
- le laminage à froid de la bande recuite jusqu'à l'épaisseur finale
inférieure ou
égale à 12 µm,
- le recuit final de la bande à une température comprise entre 200 et
300°C, d'une
durée d'au moins 50 h.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la
bande est
inférieure à 9 µm.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la
teneur en
fer de l'alliage est inférieure à 1,40%.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le
recuit
intermédiaire est unique, c'est-à-dire qu'il n'y en a pas d'autre entre deux
étapes
de laminage à froid.

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5. Bande en alliage d'aluminium d'épaisseur inférieure ou égale à 12 µm,
fabriquée
par un procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'elle
présente une résistance à la rupture R m > 100 MPa, une limite élastique R0,2
> 80
Mpa, un allongement à la rupture A> 3% et une porosité selon la norme EN 546-
4 < 10 trous/dm2.
6. Utilisation de bandes selon la revendication 5 pour la fabrication
d'emballages
alimentaires aseptiques de type briques.

Description

CA 02354828 2001-08-06
Procédé de fabrication de bandes très minces en alliage aluminium-fer.
Domaine de l'invention
L'invèntion concerne un procédé de fabrication de bandes très minces
d'épaisseur
inférieure ou égale à 12 m, en alliage du type aluminium - fer. De telles
bandes sont
i o utilisées notamment pour la fabrication de complexes multicouches
comportant une
couche de papier ou de carton, une couche d'alliage d'aluminium et une couche
de
polymère, utilisables pour la confection d'emballages alimentaires aseptiques,
flexibles ou rigides de type briques.
Etat de la technique
Les propriétés d'usage recherchées pour les bandes très minces en alliage
d'aluminium sont une bonne résistance mécanique, un allongement suffisant, un
très
faible nombre de trous par unité de surface et une bonne résistance au
déchirement et
au pliage. L'absence de trous est liée essentiellement à la taille de grain,
qui doit, en
toute hypothèse, être inférieure à l'épaisseur finale.
Par ailleurs, sur le plan de la fabrication industrielle du produit, il est
important que
l'alliage choisi puisse se couler et se laminer facilement, qu'il ne soit pas
trop
coûteux à élaborer, notamment qu'il n'exige pas une teneur en silicium trop
basse, et
qu'enfin la gamme de transformation du produit ne soit pas trop compliquée, en
particulier qu'elle évite un trop grand nombre de traitements thermiques.
Les alliages utilisés habituellement pour cette application sont des alliages
du type
1100 ou 1200 contenant moins de 1% en poids pour la somme des teneurs en
silicium et en fer. Il est connu également d'utiliser, pour améliorer la
résistance
mécanique, des alliages à plus haut fer et addition de manganèse, tels que les
alliages
8006 et 8015, enregistrés à l'Aluminum Association respectivement en 1978 et
1988.
La composition enregistrée du 8006 est (% en poids) :
Si < 0,4 Fe : 1,2 - 2 Cu < 0,30 Mn : 0,3 -1 Mg < 0,10 Zn < 0,10
La composition enregistrée du 8015 est :

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Si < 0,30 Fe : 0,8 - 1,4 Cu < 0,10 Mn : 0,10 - 0,40 Mg < 0,10 Zn < 0,10
Un inconvénient important des alliages à haut fer est la difficulté de
recycler les
chutes de fabrication pour d'autres applications ; en effet, la fabrication de
bandes
très minces est une opération délicate qui conduit à une mise au mille
importante en
générant beaucoup de rebuts. Un moyen d'éviter cet inconvénient est
d'utiliser, pour
la production des ébauches, une machine de coulée continue, par exemple une
coulée
continue entre cylindres, qui permet de recycler directement les chutes et
rebuts de
fabrication dans le four d'alimentation de la machine. Cet avantage s'ajoute
aux
avantages intrinsèques de la coulée continue, notamment le faible coût
d'investissement.
Le brevet US 5,380,379, déposé en 1993 au nom d'Alcoa Aluminio Do Nordeste,
décrit une bande d'aluminium de composition (% en poids) :
Si < 0,2 Fe : 1,35 - 1,6 Cu :0,1 - 0,4 Mn : 0,3 - 0,6 B: 0,01 - 0,02
élaborée par coulée continue entre cylindres à une épaisseur comprise entre
4,8 et 10
mm, recuit à plus de 450 C et laminage à froid. Dans le cas où l'épaisseur
finale de la
bande est inférieure à 9 m, le brevet préconise un recuit intermédiaire
supplémentaire.
Le brevet EP 0750685 (Alcan International), déposé en 1994, concerne une
feuille
mince d'épaisseur comprise entre 5 et 40 m, de composition (% en poids) :
Si < 0,4 Fe : 1,2 - 2,0 Mn : 0,2 -1,0 Mg et/ou Cu : 0,1 - 0,5 Zn < 0,1
avec une taille moyenne de grain inférieure à 5 m après recuit final. Le
métal peut
être coulé par coulée semi-continue conventionnelle, ou par coulée continue
entre
cylindres ou entre courroies.
La demande WO 98/45492 (Alcan International) décrit une feuille mince
recyclable,
destinée notamment aux applications ménagères, de composition :
Si : 0,2 - 0,5 Fe : 0,4 - 0,8 Cu : 0,1 - 0,3 Mn : 0,05 - 0,3
contenant au moins 2% en poids de dispersoïdes et au moins 0,1% de cuivre
et/ou de
manganèse en solution solide. L'alliage est coulé en continu et on procède à
un recuit
intermédiaire au cours du laminage à froid.
Objet de l'invention

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Le but de l'invention est de fournir un procédé de fabrication de bandes en
alliage du
type aluminium - fer d'épaisseur inférieure ou égale à 12 gm, et de préférence
inférieure à 9 m, utilisant une coulée continue entre cylindres, et
conduisant à des
bandes présentant à la fois une bonne résistance mécanique et une résistance
élevée
au déchirement et au pliage, dans des conditions techniques et économiques
compatibles avec une production industrielle importante.
L'invention a pour objet un procédé de fabrication de bandes en alliage
d'aluminium
d'épaisseur inférieure ou égale à 12 m, et de préférence < 9 m, comportant :
- l'élaboration d'un alliage de composition (% en poids) :
Si : 0,15 - 0,40 Fe : 1,10 - 1,70 Mg < 0,02 Mn : 0,30 - 0,50
autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium,
- la coulée continue entre cylindres d'une bande de cet alliage d'épaisseur
comprise
entre 2 et 10 mm,
- l'homogénéisation de cette bande à une température comprise entre 450 et 620
C
d'une durée comprise entre 8 et 40 h,
- le laminage à froid de cette bande
- le recuit intermédiaire de la bande laminée à froid à une température
comprise
entre 200 et 400 C, et d'une durée comprise entre 8 et 15 h,
- le laminage à froid de la bande recuite jusqu'à l'épaisseur finale
inférieure ou
égale à 12 m,
- le recuit final de la bande à une température comprise entre 200 et 300 C,
d'une
durée d'au moins 50 h.
Description de l'invention
Le procédé selon l'invention combine une composition particulière à
l'intérieur de la
composition AA du 8006 et une gamme de fabrication, conduisant à des
propriétés
d'emploi intéressantes pour la fabrication des complexes pour emballages
alimentaires, en évitant des contraintes pénalisantes sur le plan industriel.
La composition de l'alliage présente une teneur en silicium, comprise entre
0,15 et
0,40%, qui ne nécessite pas l'utilisation d'une base pure et n'a donc pas
besoin d'être
particulièrement contrôlée, contrairement à l'enseignement du brevet US
5,380,379

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qui préconise une teneur en silicium inférieure à 0,2% pour éviter la
formation
d'intermétalliques AlFeSi et AIMnSi. La teneur en fer, comprise entre 1,1 et
1,7%, et
de préférence < 1,4%, se situe dans la fourchette basse du 8006, et se situe
dans celle
du 8015. La teneur en manganèse, comprise entre 0,3 et 0,5%, est, elle aussi,
dans la
fourchette basse du 8006. Les teneurs en magnésium et en cuivre sont
maintenues à
des niveaux bas.
L'alliage est coulé à l'aide d'une machine de coulée continue de bandes entre
deux
cylindres refroidis, comme par exemple le Jumbo 3C TM de la société Pechiney
Rhenalu. La coulée se fait à une épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, à une
vitesse
t o de coulée comprise entre 0,5 et 3 m/mn. Il est possible de recycler la
totalité des
chutes et rebuts de fabrication dans le four d'alimentation de la machine. La
bande
coulée est ensuite homogénéisée à une température comprise entre 450 et 620 C
pendant une durée comprise entre 8 et 40 h, puis refroidie lentement.
On procède ensuite à un laminage à froid d'ébauchage jusqu'à une épaisseur
comprise entre 0,8 et 0,3 mm, puis à un recuit intermédiaire à une température
comprise entre 200 et 400"C, de manière à obtenir une structure fine, et de
préference
entre 302 C et.370 C pour obtenir une structure recristallisée, avec une
taille de grain
ne dépassant pas 30 m, et de préférence 15 m. La bande est ensuite laminée à
froid
jusqu'à l'épaisseur finale selon la technique habituelle, puis soumise à un
recuit final
2o de dégraissage à une température comprise entre 200 et 300 C, pendant une
durée
d'au moins 50 h., dépendant notamment de la largeur de la bande.
Les bandes selon l'invention présentent une résistance à la rupture supérieure
à 100
MPa, une limite élastique supérieure à 80 MPa, un allongement à la rupture
supérieur
à 3% et une porosité selon la norme EN 546-4 inférieure à 10 trous par dm2.
Elles
présentent également une résistance au déchirement et au pliage améliorées par
rapport aux bandes issues de coulée classique.
On peut noter qu' on obtient une bande de moins de 12 m avec des propriétés
d'emploi tout à fait satisfaisantes en n'ayant qu'un seul recuit
intermédiaire, alors
que, pour la même gamme d'épaisseur, le brevet US 5,380,379 préconise un
premier
recuit intermédiaire entre 200 et 250 C, à une épaisseur comprise entre 0,31
et 0,38
mm, puis un second recuit intermédiaire entre 200 et 300 C, à une épaisseur
comprise entre 20 et 45 m.

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Ces performances sont obtenues grâce à un contrôle précis de la
recristallisation au
moyen de la taille, de la morphologie et de la distribution des particules
intermétalliques. Une distribution homogène de particules de taille
suffisamment
importante et une désaturation maximale de la solution solide de manganèse
5 conduisent à une recristallisation à grains fins et homogènes, qui contribue
aux
bonnes propriétés mécaniques, notamment la résistance au déchirement et au
pliage,
ainsi qu'à la faible porosité du produit.
Les bandes obtenues par le procédé selon l'invention conviennent
particulièrement à
la fabrication de complexes multicouches, par exemple les complexes papier ou
1o carton - aluminium - polymère destinés à la confection d'emballages
alimentaires
aseptiques du type briques. Elles peuvent également être utilisées nues,
laquées ou
vernies pour divers types d'emballages.
Exemples
Exemple 1
On a préparé un alliage de composition : Si = 0,23% Fe = 1,26% Cu = 0,017%
Mn = 0,37% Mg = 0,0032% Ti = 0,008%
2o L'alliage a été coulé en largeur 1500 mm, à l'épaisseur 8 mm et à une
vitesse de 0,96
m/mn sur une machine de coulée entre deux cylindres refroidis de marque Jumbo
3C
rM de la société Pechiney Rhenalu. La bande coulée a été homogénéisée pendant
12 h
à une température de 600 C. La bande a été ensuite laminée à froid jusqu'à
l'épaisseur de 0,5 mm, puis soumise à un recuit intermédiaire en bobine de 12
h à
350 C, pour que le métal recristallise à grains fins. Elle a été ensuite
relaminée
jusqu'à l'épaisseur finale de 6,60 m, puis soumise à un recuit final de
dégraissage
pendant environ 80 h à 280 C.
On a mesuré la résistance à la rupture R,,,, la limite d'élasticité
conventionnelle à
0,2% d'allongement Ro,2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %), en
les
comparant aux propriétés de bandes de même épaisseur en alliage 1200 coulé en
coulée semi-continue traditionnelle. Les résultats sont indiqués au tableau 1.

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Tableau 1
Invention 1200
R. (Mpa) 103 73
Ro,2 (Mpa) 86 50
A (%) 3,2 2,7
On a mesuré également la porosité de la bande par le nombre de trous au dm2
selon la
norme EN 546-4. Cette porosité est de 6 trous au dm2, à comparer à une valeur
moyenne de 13 trous au dm2 pour l'alliage 1200 en coulée classique.
Exemple 2
l o On a procédé à des essais de résistance au déchirement pour des feuilles
découpées
dans des bandes en alliage 1200 issues de coulée classique et d'épaisseur 6,3,
6,6 et 9
m, et dans des bandes selon l'invention de mêmes épaisseurs. Les essais ont
été
réalisés par la méthode Elmendorf selon la norme EN 21974 (ISO 1974). L'essai
consiste à déterminer la force nécessaire pour propager un déchirement sur une
éprouvette. Un premier test sans fente prédéfinie donne un indicateur de la
résistance
à l'amorçage et à la propagation d'une fissure, et un deuxième avec fente
prédéfinie
permet de quantifier la résistance à la propagation seule. La force choisie
dans la liste
du paragraphe 1 de l'annexe A de la norme est de 4 N pour le déchirement
amorcé, et
de 32 N pour le déchirement non amorcé. Chaque éprouvette est constituée d'un
sandwich de 8 feuilles, dont la direction de laminage coïncide avec la
direction de
propagation de fissure . Les résultats (moyenne de plusieurs essais) relatifs
à la force
moyenne nécessaire au déchirement F1 (avec amorçage de fissure) et F2 (sans
amorçage de fissure) sont rassemblés au tableau 2.

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Tableau 2
Alliage Epaisseur ( m) F1 (mN) F2 (mN)
1200 6,3 52 236
1200 6,6 53 224
1200 9 45 280
Invention 6,3 78 435
Invention 6,6 56 440
Invention 9 94 560
On constate que les feuilles selon l'invention présentent une résistance au
déchirement plus élevée que celles élaborées par coulée classique.
Exemple 3
On a procédé à des mesures de résistance au pliage selon la norme ISO 5626, en
l0 utilisant l'appareil de Lhomargy. La sollicitation de pliage est réalisée
par un
mouvement de va-et-vient d'une fente située entre 4 cylindres qui contrôlent
l'angle
de pliage. Le dispositif d'attache de la bande et l'effort de tension ont été
légèrement
modifié pour tenir compte de la différence entre l'aluminium et le papier. La
distance
entre les mors a été allongée à 35 mm (au lieu de 28,5 mm) et le système de
contrepoids ajusté pour donner des tensions de 0,4 N, 1,7 N et 3 N (au lieu de
9,81 N
et 8 N). Les échantillons utilisés ont pour dimensions 170 mm x 15 mm (au lieu
de
100 x 15 mm), la direction de laminage étant alignée avec la lame de pliage,
c'est-à-
dire perpendiculaire à la direction de l'effort de tension. Les essais ont été
réalisés sur
des bandes en alliage 1200 d'épaisseur 6,6 et 9 m, issues de coulée
classique, et des
2o bandes selon l'invention de mêmes épaisseurs.
On a mesuré le nombre de cycles à rupture C pour différents types de
sollicitations
(tension et contrainte). Les résultats (moyenne de plusieurs essais) sont
indiqués au
tableau 3.

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Tableau 3
Alliage / ép. Tension (N) Contrainte (MPa) C
1200 6,6 m 0,4 4 170
1,7 17 45
3 30 26
8 80 5
Invention 6,6 m 0,4 4 184
1,7 17 50
3 30 29
8 80 8
1200 9 m 0,4 3 209
1,7 13 47
3 22 27
Invention 9 m 0,4 3 184
1,7 13 45
3 22 33
On constate que les bandes selon l'invention, bien que plus résistantes
mécaniquement, présentent une résistance au pliage plutôt meilleure que
l'alliage
1200 en coulée classique pour l'épaisseur 6,6 m, et à peu près équivalente
pour
l'épaisseur 9 m.