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CA 02475700 2004-08-11
WO 03/069003 PCT/FR03/00452
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Bandes minces en alliage aluminium-fer
Domaine de l'invention
L'invention concerne des bandes minces, typiquement d'épaisseur comprise entre
30
et 150 ~.m, en alliage du type aluminium-fer, aptes à l'emboutissage,
destinées
notamment à l'emballage, et plus particulièrement à la fabrication de
barquettes et de
lo plats minces pour la distribution de denrées alimentaires et la
restauration rapide.
Etat de la technique
Les alliages Al-Fe de la série 8000 selon la nomenclature de l'Aluminum
Association sont largement utilisés pour la fabrication de feuilles ou bandes
minces
destinées à l'emballage. Leur fabrication peut se faire, soit de manière
conventionnelle par coulée d'une plaque, laminage à chaud, puis à froid, avec
un ou
plusieurs recuits intermédiaires et le plus souvent un recuit final, soit par
coulée
continue, par exemple entre deux cylindres, et laminage à froid, et
éventuellement un
ou plusieurs recuits.
La coulée continue de bandes permet, pour un coût d'investissement modéré,
d'obtenir dans une assez large gamme d'alliages des bandes qui ne nécessitent
pas de
laminage à chaud ultérieur. Ces dernières années, des progrès importants ont
été faits
par les fabricants de machines de coulée pour diminuer l'épaisseur de la bande
coulée qui peut descendre dans certains cas jusqu'à environ 1 mm, ce qui
diminue
d'autant le laminage à froid à effectuer.
L'utilisation de la coulée continue, dans la mesure où les conditions de
solidification
sont différentes du procédé habituel, conduit à une microstructure différente.
Ainsi,
le brevet US 3989548 d'Alcan, publié en 1976, décrit (exemple 9) des alliages
3o d'aluminium contenant l'un au moins des éléments Fe, Mn, Ni ou Si coulés en
bandes par coulée continue entre cylindres à une épaisseur de 7 mm. La
structure de
la bande coulée présente des bâtonnets de composés intermétalliques fragiles
de
diamètre compris entre 0,1 et 1,5 gym, qu'un laminage à froid avec une
réduction
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d'au moins 60% brise en fines particules de taille inférieure à 3 ~,. Les
bandes
obtenues présentent un bon compromis entre la résistance mécanique et la
formabilité.
Le brevet US 5380379 d'Alcoa Aluminio de Nordeste concerne la fabrication, par
coulée continue entre cylindres, de feuilles très minces en alliages contenant
de 1,35
à 1,6% de fer, de 0,3 à 0,6% de manganèse, de 0,1 à 0,4% de cuivre et moins de
0,2% de silicium. La teneur en silicium est limitée par l'apparition de phases
intermétalliques de type AIFeSi ou AIMnSi, tandis que la présence de cuivre
est
nécessaire pour conférer au produit une résistance mécanique suffisante.
1 o La demande de brevet WO 98/52707 de la demanderesse décrit un procédé de
fabrication de bandes en alliage d'aluminium contenant (en poids) l'un au
moins des
éléments Fe (de 0,15 à 1,5%) ou Mn (de 0,35 à 1,9%) avec Fe + Mn < 2,5%, et
contenant éventuellement Si (< 0,8%), Mg (< 0,2%), Cu (< 0,2%) par coulée
continue entre cylindres refroidis et frettés à une épaisseur comprise entre 1
et 5 mm,
suivie d'un laminage à froid. Les bandes obtenues présentent à la fois une
limite
d'élasticité supérieure à celle des bandes issues du procédé conventionnel, et
une
bonne formabilité.
La fabrication de barquettes et plats minces destinés à des aliments préparés
requiert
des bandes présentant une bonne résistance mécanique, une bonne formabilité,
en
2o particulier pour des emboutis assez profonds, et une bonne isotropie des
caractéristiques mécaniques, notamment pour les produits circulaires. Un
alliage
utilisé fréquemment pour cette application est l'alliage 8021B, dont la
composition
enregistrée à l'Aluminum Association est la suivante (% en poids)
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti
< 0,40l,l-1,7< 0,05< 0,03< 0,01< 0,03 < 0,05< 0,05
as
L'invention a pour but d'améliorer le compromis entre la résistance mécanique,
la
formabilité et l'isotropie des propriétés mécaniques par rapport à cet alliage
de
référence.
3o Objet de l'invention
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L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur
comprise
entre 30 et 150 ~,m, en alliage de composition (% en poids)
Si < 0,4 Fe : 1,5 - 1,9 Mn : 0,04 - 0,15 autres éléments ; < 0,05 chacun et
0,15 au total, reste aluminium.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de bandes en
alliage de
cette composition par coulée continue entre cylindres d'une bande d'épaisseur
comprise entre 2 et 10 mm, éventuellement l'homogénéisation de cette bande
entre
420 et 550°C, le laminage à froid de cette bande jusqu'à l'épaisseur
finale avec
éventuellement un recuit intermédiaire de 1 à 4 h entre 300 et 350°C,
et un recuit
lo final à une température comprise entre 200 et 430°C d'une durée d'au
moins 30 h.
L'invention a aussi pour objet l'utilisation de ces bandes pour des plats et
barquettes
pour produits alimentaires.
Description de l'invention
L'alliage utilisé pour les tôles et bandes selon l'invention se caractérise
par une
teneur en fer comprise entre 1,5 et 1,9%, plus élevée que celle utilisée
habituellement
pour l'alliage 8021B destiné à la fabrication des plats et barquettes.
L'avantage d'une
teneur plus élevée en fer réside dans l'amélioration de la résistance
mécanique ; cet
2o effet est encore plus marqué lorsque les bandes sont obtenues par coulée
continue
entre cylindres. Le teneur en fer doit rester inférieure à 1,9% pour éviter de
s'approcher trop près de la teneur eutectique AIFe, et donc de voir apparaître
des
phases primaires grossières AIFe.
L'autre caractéristique est une teneur en manganèse se situant entre 0,04 et
0,15%.
Cette addition a un effet favorable sur la résistance mécanique, tout en
maintenant un
niveau élevé d' allongement, le compromis entre ces propriétés habituellement
antagonistes étant nettement amélioré lorsqu'on produit les bandes par coulée
continue. Au delà de 0,15% de manganèse, celui-ci joue plus nettement son rôle
anti
recristallisant, ce qui risque de nuire à l'efficacité du recuit final,
nécessaire pour
l'obtention d'une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques.
La fabrication des tôles et bandes selon l'invention se fait de préférence par
coulée
continue d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm entre deux
cylindres
refroidis et frettés (« twin-roll casting »). La bande coulée peut être
homogénéisée,
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notamment dans le cas où on souhaite favoriser l'allongement plutôt que la
résistance
mécanique. Cette homogénéisation doit se faire à une température pas trop
élevée,
entre 420 et 550°C, pour éviter de trop dégrader la résistance
mécanique. Si les
exigences en matière d'allongement sont moins contraignantes,
l'homogénéisation
n'est pas indispensable.
La bande est ensuite laminée à froid avec le nombre de passes nécessaires
jusqu'à
l'épaisseur finale comprise entre 30 et 150 ~,m. Ce laminage à froid peut se
faire avec
ou sans recuit intermédiaire. Lorsque le recuit intermédiaire est nécessaire,
il doit
être relativement court, de l'ordre de 1 à 4 h, et se faire à une température
pas trop
1o élevée, typiquement entre 300 et 350°C, pour éviter un grossissement
du grain. Mais
il est possible, lorsqu'on ne recherche pas des valeurs très élevées pour
l'allongement, d'éviter à la fois l'homogénéisation et le recuit
intermédiaire, ce qui
rend la gamme de fabrication particulièrement simple.
La bande laminée est ensuite recuite à une température comprise entre 200 et
400°C,
d'une durée d'au moins 30 h, de manière à obtenir une structure
recristallisée. Ce
recuit peut s'effectuer en un ou plusieurs paliers de température, par exemple
un
premier palier entre 200 et 300°C, et un second entre 300 et
400°C. On découpe
ensuite la bande en tôles si nécessaire.
On obtient ainsi une amélioration de la résistance à la rupture Rm et de la
limite
2o d'élasticité Ro,2 de l'ordre de 5% par rapport à l'alliage 8021B classique,
avec un
allongement du même ordre et un écart plus faible entre les valeurs de Rm et
de R0,2
mesurées dans le sens du laminage (sens long) et dans le sens perpendiculaire
(sens
travers). Ces propriétés sont particulièrement adaptées à la fabrication des
plats et
barquettes.
Exemples
Exemple 1
3o Sur une machine de coulée 3C~ de la société Pechiney Rhenalu, on a coulé
des
bandes d'épaisseur 7 mm en deux alliages A (8021B classique) et B selon
l'invention, dont les compositions sont indiquées au tableau 1
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Tableau 1
Alliage Fe Si Mn Cu Ti
A 1,25 0,22 0,02 0,005 0,007
B 1,55 0,18 0,085 0,007 0,009
Ces bandes ont été laminées à froid sans recuit intermédiaire jusqu'à
l'épaisseur
5 finale de 58 ~,m en 9 passes avec arréts successifs à 4,7 mm, 2,7 mm, 1,5
mm, 0,9
mm, 0,6 mm, 0,41 mm, 0,21 mm, 0,12 mm et 0,08 mm. Elles ont ensuite subi un
recuit de 20 h à 260°C, puis 65 h à 340°C.
On a ensuite mesuré sur les 2 bandes la résistance à la rupture Rm (en MPa),
la limite
d'élasticité Ro,2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %), dans le
sens long et
lo dans le sens travers. Les résultats sont indiqués au tableau 2
Tableau 2
Alliage Rm sens Ro,2 A sens Rm sens Ro,2 sensA sens
L sens L T T T
L
A 138 121 20,5 136 123 21
B 149 130 22,5 145 131 22,5
On constate que Rm et Ro,2 sont plus élevés pour B, que les allongements sont
aussi
bons et que la différence entre les résultats sens L et sens T sont réduites.
Exemple 2
2o On a coulé deux bobines en alliages C de type 8021B et I) selon
l'invention, dont la
composition est indiquée au tableau 3
Tableau 3
Alliage Fe Si Mn Cu Ti
C 1,17 0,12 0,005 0,008 0,010
D ~ 1,63 ~ 0,04 ~ 0,09 ~ 0,007 0,006
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La ganune de transformation est identique à celle de l'exemple 1, à ceci près
que l'on
a ajouté un recuit intermédiaire de 2 h à 340°C à l'épaisseur 0,6 mm.
Les
caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au
tableau
4:
Alliage Rm (L) Ro,2 A (L) Rm (T) Ro,2 A (T)
(L) (T)
C 132 119 23 130 120 22
D 143 127 24 146 129 23,5
La comparaison des résultats entre les alliages C et D conduit aux mémes
remarques
qu'à l'exemple précédent. De plus, on constate que, bien que l'alliage D soit
un peu
plus chargé en fer, l'introduction dans la gamme d'un recuit intermédiaire
conduit,
lo par rapport à l'alliage B de l'exemple 1, à une légère baisse de Rm et
Ro,2, et à une
légère augmentation de l' allongement.
Exemple 3
On a coulé deux bobines en alliages E (8021B) et F (selon l'invention) dont
les
compositions sont indiquées au tableau 5
Tableau 5
Alliage Fe Si Mn Cu Ti
E 1,21 0,08 0,007 0,005 0,007
F 1,72 0,06 0,12 0,009 0,007
La gamme de fabrication est identique à celle de l'exemple 2, avec en plus une
homogénéisation de la bande coulée de 10 h à 520°C. Les
caractéristiques
mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au tableau 6
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Tableau 6
Alliage Rm (L) Rp,2 A (L) Rm (T) Rp,2 A (T)
(L) (T)
E 125 113 24 123 110 23
F 134 121 25 132 114 24,5
La comparaison des alliages E et F conduit aux mêmes remarques qu'aux deux
exemples précédents. De plus, l'introduction d'une homogénéisation conduit
pour
l'alliage F, par rapport à l'alliage D de l'exemple 2, à une légère baisse de
Rm et Rp,2,
et une légère amélioration de l'allongement. Ainsi, l'introduction dans la
gamme
d'une homogénéisation et/ou d'un recuit intermédiaire dépend du compromis
recherché entre la résistance mécanique et la formabilité.
lo
