Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
1051~109
~ a présente invention concerne un procédé de filage
d'alliages d'aluminium à haute résistance pour fabriquer des bar-
res, tubes ou profilés.
Parlal:Liages d'aluminium à haute résistance", on entend
des alliages permettant d'obtenir, après corroyage et traitement
thermique, une résistance à la rup-ture supérieure à 35 kg/mm2, en
particulier les alliages Al-Cu-Mg(Cu> 3 o~O~ Mg> 0,5 o,'), dont les
plus connus sont le 2014, le 2017 A, le 2030, et le 2024, et les
alliages Al-Zn-~g-Cu dont le plus connu est le 7075, selon les
désignations de la norme française AFNOR NF ~-02-104.
~ e filage chemisé direct de ces alliages se fait de maniè-
re habituelle à des vitesses assez faibles, de l'ordre de 2 à 8
m/minute avec des rapports de filage ne dépassant pas 40 général.
~n effet, en ~ilage chemisé, si l'on opère à des vitesse élevées
et/ou avec aes rapports de filage élevés, la température du produit
sortant de la filière est telle qu'il y a apparition de criques en
surface ou surchauffe du métal, au moins en surface (phénomène dit
de "br~lure")
Il arrive, assez rarement, que llon cherche à tremper sur
presse, c'est-à-dire ~ tremper le produit file dès sa sortie de la
filière, certains de ces alliages comme le ~030. Dans ce cas, la
~itesse de ~ilage est en général plus ~`aible que la vitesse de fila-
ge utilisée lors~u'il n'y a pas de trempe sur presse. ~n effet,
pour que le metal soit convenablement mis en solution, il est néces-
saire que la temperature de sortie du métal soit exactement contr8-
l~e et oomprise entre la température de mise en solution solide de
llallia~e et la température dlapparation de criques ou de br~lure;
d~autre part, la mise en solution solide doit etre convenable.
Pour oes raison~, la température de début de filage est en général
tr~s proohe de la températuxe de mise en solution ~olide, afin que
la billette ne p~ésente pas une précipitation intense qui rendrait
diffioile la mise en solution solide; d'autre part, la vitesse de
~ '.
~` -1-
~ OS8109
filage est ralentie, sous pour évi-ter un échauffement trop grand
au cours du filage qui risquerait d'en-traîner llapparition de
criques ou la bru^lure (fusion partielle des eutectiques métas-
tables ou non), soit précisément parce qu'une température de fil-
age élevée, proche de la temperature de mise en solution, est
moins favorable ~ une vites3e ra~ide q-u'unc temperature plus bas3e,
en raison des risques d'apparition de criques ou de brûlure.
Enfin, le bon compromis, déjà difficile à obtenir pour les rapports
de filage habituels de 10 à 25, devient encore plus difficile à
atteindre pour les rapports de filage plus élevés en raison de
l'échauffement plus important qui leur est associé. De toute
manière, la température de sortie est difficile à maîtriser en rai-
son de l'évolution tout au long du filage des forces de frottement,
et donc des échauffements. `
Il existe des techniques qui permettent d~augmenter la
vitesse de filage. On a cherché, par exemple, à augmenter la
vitesse de filage en réduisant le frottement dans le contenant la
filière, et en particulier en utilisan-t un lubrifiant. On peut
le faire avec un lubrifiant classique, par exemple une graisse
additionnée de bisulfure de molydène et/ou de graphite, en prenant
certaines précautions pour que le lubrifiant reste en permanence
en contact avec le métal.
Mais on peut utiliser ~galement un lubrifiant vitreux dont
la vi~oosit~ est comprose entre 103 et 10~ poises entre 400 et 650
par exemple. Un lubri~iant vitrqux contenant des éléments tels que
~25 - 9203 - KXO - Na2, permet d~atteindre, dans ces conditions,
des vite3ses sup~rieures à 100 m/minute. Ce procédé nlest pas
encore utilis~ lndustriellement.
~ e procedé selon l~invention constitue un perfectionne-
ment ~ ces techniques de filage rapide, et permet d~obtenir desproduits presentant un excellent état de surface, et de bonnes
caractéristiques mécaniques et métallurgiques dans des conditions
,,
: `:
-X- ' - .
!r............. - . /.. ,~ . . -
~ Q58iO5~
économiques très favorables.
~ a demanderesse a trouvé que, sous certaines conditions,
il était possible d'associer, pour ces alliages, la trempe sur
presse à des rapports de filage élevés et à une vitesse de filage
élevée, cette vitesse de filage élevée étant même, à condition
qu'elle soit su~:~isamment élevée, un élement favorable à bon con-
trôle de la mise en solution solide avant trempe.
~ e procédé selon l'invention consiste à filer avec un
lubrifiant des alliages d'al~inium à haute résistance, avec un
rapport de filage compris entre 20 et 200, et une vitesse de filage
supérieure à 15 m/minute (et de préférence supérieure à 30 m/minute),
dans les conditions suivantes:
a) la température de filage, c'est-à-dire la température
de la billette au moment de la compression, est comprise entre
~s -180C et ~s -50 C, Ts étant la -temperature de solidus d'équili-
bre de l~alliage;
b) pour chaque rapport de filage, cette température de `
filage est ajustée de telle sorte que la température de sortie soit
comprise entre Tm et Ts, et de préférence Tm et ~`s -30C, Tm étant
la température minimale pour qu'il y ait mise en solution de l~al-
liage dans le cas o~ la trempe est faite dc~ns un ~our de mani~re
traditionnelle;
c) le métal est trempé sur chaleur de ~ilage, Q I est-~-
dire sans qu~il y ait un refroidissement suivi dlun nouveau réchauf-
~a~e avant txempe, ~ la sortie de la presse, aux vitesses de refroi-
dissement habituelles pour cet alliage. De préférence, le début
de la trempe lntervient après une attente telle que la température
~e descende pa~ au-dessous de la tempéra-ture critique avant intro-
duction dans le milieu de trempe, c~est-à-dire la température à
laquelles appara~t une précipitation détruisant la mise en solu-
t~on t450 environ pour le 2017 A et le 2030).
A titre indicatif, des valeurs moyennes de Ts et ~m pour
_3_
~ 0 ~ ~ l Q ~
les pricipaux alliages à haute resi.stance, sont mentionnees dansle tableau ci-dessous:
allia e
. , ~ .. . _____ .. _ l
alliage ~s ( C) 1' (C)
. . . _, . ~ ._ .
2014 535 490
2017 ~ 5~5 ~90
2024 515 480
2030 5~0 490 .
7075 535 _
:
Ces valeurs dépendent, bien entendu, de la composition exacte de
l~alliage.
Dans le cas des alliages de la série 2000, de composition
suivante: -
Cu 3,5 à 5 ~,~
Mg 0,4 à 1 ~
Si ~ 1,2 %
éventuellement Pb 0,3 à 1,4 q~
le reste étant de l~aluminium avec des impurtés ou des éléments
secondaires d~addition tels que Fe, Cr, ~ n aux teneurs habituel-
les, la temperature de ~ilage est comprise entre 350C et ~80C,
et la température de sortie de la filière est comprise entre 480C
et 53~~t et de pr~érence ~0C à 500C.
On constate qu~avec cette technique, la température de sor~
~ie . apr~ ~ila~e peut ~tre convenablement controléeJ du fait que
les vitesse~ de filage élevées et/ou le frottement reduit, permet-
tent d~obtenir des conditions quasiadiabatiques au cours du filageJ
de t~lle sorte qu~à l~exception d~une petite partie à l'extrémité
du produit ~ , qui pourra être éliminée, la temperature est uni-
~orme avec ecart ne dépassant pas 10C d~un bout à l~autre du
~ilage. Il est également avantageux que le filage se passe en un
-4-
~0~ 9
temps très court, inférieur à 30 secondes, et même 20 secondes,
qu'elle que soit la longueur de la billette, choisie parmi les
longueurs industrielles.
~ es temps de ~ilage tres courts permettent en outre une
lubrification plus uni~orme d'un bout à l'autre du filage et un
meilleur aspect. I1 peut ~tre intéressant de ne pas introduire le
métal dans le fluide de refroidissement immédiatement à la sortie
de filière. ~'attente avant trempe, lorsqu'elle est pratiquée,
permet de parfaire la ~ise en solution. Sa durée, comprise géné-
ralement entre 15 et 90 secondes, est déterminée par deux exigen-
ces opposées: d'une part accroître le temps de mise en solution
pour améliorer la qualité métallurgique du produit filé, d~autre
part, ne pas séjourner dans le domaine critique de précipitation,
ce qui diminue les caractéristiques mécaniques et sensibilise l'al-
liage à la corrosion intercristalline. Une homogéisation préalable
de la billette est en général favorable à la fois à bon aspect et
à une bonne mise en solution; cette homogénéisation se faisant
entre 480C et 520C pendant une durée de 1 à 24 heures.
Il peut ~tre également avantageux de réchauffer la bil-
lette avant filage à une temperature voisine de la tempéra-ture
normale de mise en solu-tion solide de l'alliage, qui est souvent
supérieure de plus ~e 20C ~ la température de filage. Dans ce cas,
la billette est refroidie ~apidement, en moins de 3 minutes, et de
pr~f~rence moin~ d'une minute, par exemple par un dispositif de
pulv~risation permettant d'cviter les tapures jusqu'~ la tempéra-
ture de ~ilage~ Cette disposition assure une mise en solution plus
~ompl~te de l'alliage et permet d'éviter des précipités trop impor--
ta~ts~ ~u cours du filage. De cette manière, la chaleur dégagée
par le ~ila~e va permettre une mise en solution du métal après la
sortie de la ~ilière dans un temps très court.
On peut utiliser pour le filage tout lubrifiant et toute
techni~ue de lubrification permettant les rapports et vitesse de
.
--5--
. ~ , . . . . . . .
~ 0$81Q~
filage indiqués, le filage hydrosta-tique pou~ant également ~tre
assimilé à un filage lubrifié.
Il est particulièrement avantageux d'avoir recours à un
lubrifiant soluble dans le milieu de trempe, ce qui permet de
combiner, en une seule opération sur presse, la trempe et l'enl~-
vemen-t du lubrifiant.
Par exemple, on peu-t utiliser comme lubrifiant, le pro-
duit vitreux mentionné ci-dessus (1'25 ~ 323 + ~2 + ~a20) qui
es-t soluble dans l'eau ou dans un liquide contenant plus de 80 ~0
d'eau, le reste étant des additifs de trempe; l'élimination du
lubrifiant du produit filé se fait alors instantanément.
~ a trempe peut se faire de manière connue en soi par
aspersion ou par immersion.
~ invention sera illustrée par les exemples de réalisation
suivants qui sont donnés à titre indicatif, et non limitatif.
Exemple l:
Des billettes de diamètre lO0 mm en 2017A et 2030 ont
été homogénéisées 6 h à 500C dans un four à air dormant, puis
refroidies à l'air ambiant sans précautions particulières. ~es
billettes découpées en lopins ont été réchauffees à 400 C en
5 minutes, puis filées à la presse avec un lubrifiant sous forme
de barres de diamatre 22 mm (rapport de filage 22), à une vitesse
de 70 m/mn. Dans ces oonditions, le filage se ~ait en 15 secondes.
~ a température de sortie des barres était comprise entre
~90~ et 500C poux le~ 2 alliages, ceci d~un bout à l~autre des
barres~
~ a t~empe à l~eau a été e~fectuée aloxs dans les trois
oas ~uivants:
- immédiatement après filage,
~0 - 45 secondes après filage,
- 90 secondes après filage.
Après trempe, les barres ont subi un étirage de 3 q' de façon à
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~ I)S~ 9
obtenlr un état ~3 au diamètre de 21,7 mm.
Différents essais de caractérisatio~ on-t été faits com-
parativement à des alliages traités de manièrc conventionnelle,
c'est-à-dire:
- homogénéisation à 500C,
- filage chemisé à 350~ à 4-5 m/mn,
- étirage 30 ~ environ,
- mise en solution séparée, durée 30 minutes à 490C et
trempe à l'eau,
- dressage.
Pour tous les cas de barres filées avec lubrifiant (qu'il
s'agisse de verre ou d'un produit graphité contenant du suIfure de
Mo)~ les tolérances so~t telles, que même après ~1 simple "calibrage"~
de 3 ,~, les barres sont conformes à des caractéristiques de barres
étirees.
~ es caractéristiques obtenues sont données dans le tableau
ci-dessous dans lequel sont rappelées les conditions de transfor-
mation:
. ~emps d~at- C_ractéri stiques m ~caniques
Alliage ~ila~e ~i~te enttre limite ~harge de allonge-
trempe R0,2 - MPa ~M - MPa A5 - ~o
. _, . . ~ ~~. _ . . - _ . . ,
. 0 ~36 393 12
2017 A lubrifi.e 45 s 307 416 16
, ~Os 287 3~ 13,2
~ _. _r . , __",_ _ ~ . __ ~_ - _--~ _ - __ .
ohemi9~ 369 459 15,8
. _ _ ~ . ,. . . . ... .
0 348 ~45 12
2030 lubxi~ie 45 s 338 4~0 14,5
. 90 s 341 443 13,6
. , . . . ,_ __ . _.... . .
_. chemisé 374 448 16,7
-7-
~ . . . ~ .
lt3S~
Des essais de corrosion intercristalline ont été
pratiques dans tous les cas. On ne note aucune susceptibilitc
hormis pour les cas où le temps d'attente en~re trempe et filage
est de 90 secondes. Ceci s'explique par le falt que l'on est
passé dans le domaine de précipitation de ~l-Cu-Mg et qu'aux tem-
pératures envisagées (~ 400C), la précipitation est intense.
Des essais de ~atigue en flexion rotative nlont pas per-
mis de mettre en évidence des écarts significatifs entre les pro-
duits issus du filage lubrifié et du filage chemisé
On constate que dans tous les cas, les caxactéristiques
mécaniques sont conformes aux normes en vigueur. Néanmoins, dans
le cas de l'alliage 2017A les caractéristiques mécaniques sont un
peu inférieures à ce que l'on obtient après mise èn solution au
four, en particulier au niveau des allongements à la rupture. ~es
allongements les plus élevés sont obtenus quand il existe entre
filage et trempe un temps d'attente de 45 secondes. Or, pour cette
durée, la tempéra-ture de la barre est d'environ 450C, c'est-~-dire
à la limite du seuil de précipitation. Il s'agit donc d'un temps
optimal pour le cas de filage envisagé pexmettant une mise en solu-
tion plus complète.
~ xemple ?:
Des billettes de diamètre 100 ~m en 2017 ~ et 2030 ont
~té homogènéisées 6 h ~ 500~ puis refroidies à ltair ambiant sans
pr~cautions particulières. I~es billettes découpées en lopins ont
~t~ xechau~ees à ~90C pendant 1/2 heure, puis refroidies xapide-
ment ~ 400C(l minute) en~in fil~es à cette température à une vites-
~e de 70 m/~n d~ns des conditions similaires à celles de l'exemple 1,
o'0~t-~-dire filage lubri~ié de barres de diamètre 22 mm.
~ a tempéxature de sortie des barres ainsi obtenues se
situe entre 490 et 500 ~. ~a trempe à l'eau a été effeotuée alors
l~n~diatement après filage.
Enfin, les barres ont été étirées de 3 $. Elles présenten-t
- , . . . . .
~05810~
des caractéristiques dimensionnelles propres aux barres étirées.
~ es caractéristiques mécaniques suivantes ont été
obtenues:
Alliages R 0,2 - ~Pa ~ Mra A5 -
_. ~ r- _ __ . ~
2017 407 536 15,5
2030 396 500 16
On note le gain important sur les caractéristiques mécaniques réa- I -
lisé par rapport à celles de l'exemple 1, dû au traitement thermi-
que préalable avan-t filage.
Exemple 3:
Des billettes en alliage 2030 de diamètre 145 mm ont été
filées sous ~orme de barres carrées de 20 x 20 mm (rapport de filage ~ -
~4) dans les conditions suivantes:
- filage lubrifié au verre,
- réchau~age 410C,
- vitesse 50 m/mn, soit environ 20 secondes de filage, ~;
- trempe à l'eau après 30 secondes de maintien après
filage.
Compte-tenu des tolérances dimensionnelles et de llaspect de sur-
~ace obtenu, un simple calibrage de 3 'j' a ~té su~isant pour obte-
nir des barres Carrées répondant aux normes des barres étirées.
~es caractéristiques mecaniques obtenues après calibrage de 3 ~,'
sont:
R 0,2 ~ ~04 MPa ; Rm = 491 ; ~5 ~
Cet exemple lllustre bien le ~ait qu~il est possible
d~obt~nir, dans de bonnes conditions, des ~ormes autres que cylin-
drique~.
emple_4
.
Des billettes en alliage 2030 de diamètre 145 mm ont été
homogénéisées puis refroidies à l~air ambiant sans précautions
- , , - . . - , . ~. , - ~
, . ~. . . . ..
9.oS~ 6~
particulières, ~es billettes découpées en lopins ont été
réchauffées à 370C, filées a cette température avec une graisse
graphitée à une vitesse de 100 m/mn, sous forme de barres de dia-
- mètre 12 mm.
~ a température de sortie du fil obtenu se situe vers
510C et reste constante tout au long du filage qui dure 30 secon-
des environ! ~a trempe à l'eau a été effectuée 20 secondes après
filage. ~nfin, les barres ont été étirées de 3 ~ pour obtenir un
diamètre de 11,8 mm. ~es tolérances dimensionnelles sont toujours
- 10 compatibles avec celles des produits étirés,
~ es caractéristiques mécaniques obtenues sont les suivants:
R 0,2 = 339 MPa ; Rm = 444 M~a ; ~5 = 14 %
Ces caractéristiques mécani~ues son-t tout à fait comparables à cel-
les obtenues dans les autres exemples.
--10-- .'.'
.`".~ ' .
