Brevet FR2069961A1 — publié le 19710910

La présente invention, qui résulte des travaux de Messieurs Jean TIGEOT et Roger DEVELAY, est relative à un alliage d'aluminium pour emboutissage. L'alliage habituellement utilisé pour ltemboutissage, en particulier dans le domaine de la carrosserie automobile, est l'alliage A-U2G ( norme AFNOR 57 650 ) dont la composition est la suivante Cu 2 à 2,80 % Mg , 0,3 à 0,6 % Si ,c 0,4 Fe ; 0,7 Mn 47 0,2 Zn ç 0,25 Cr q 0,1 Ti ç 0,2 Al le reste Cet alliage présente des inconvénientS:: - dans bien des cas sa capacité d'emboutissage s'avère insuffisante, ce qui pro voque de nombreuses ruptures pendant l'emboutissage de pieces difficiles, - les caracteristiques mecaniques à ltétat mis en solution, trempé, embouti, sont très sensibles aux variations de la teneur en magnésium à l'intdrieur d'une fourchette pourtant volontairement etroite, - les caractéristiques mécaniques se dégradent lorsque l'embouti subit les cycles de température imposés par la cuisson ou le sèchage des peintures et des vernis. La présente invention permet, non seulement d'éviter ces inconvénients, mais fournit de plus des alliages ayant une capacité d'emboutissage supérieure à celle de l'A-U2G, ayant des caractéristiques mécaniques qui sont améliorées par les cycles de traitement therm4que correspondant à la polymérisation ou à la cuisson des peintures et qui sont moins sensibles à la variation de la teneur en magnésium. Cette sensibilité diminuée se traduit par la possibilité d'obtenir de façon reproductible des alliages qui présentent par rapport à 1'A-U2G, soit une capacité d'emboutissage considérablement améliorée et des caractéristiques mécaniques légèrement supérieures, soit des caractéristiques mécaniques nettement plus élevées et une capacité d'emboutissage légèrement supérieure. Les alliages Al-Cu-Mg selon 1 invention sont caractérisés par une teneur en cuivre comprise entre 1,3 et 2 % en poids, une teneur en magnésium comprise entre 0,75 et 2,75 % en poids, les teneurs en impuretés habituelles de l'aluminium étant de préférence inférieures à - 0,4 % pour le Si - 0,7 % Fe - 0,2 % Mn - 0,25 % Zn - 0,1 % pour le Cr - 0,2 % Ti Les alliages selon l'invention présentant une très bonne aptitude à la transformation à chaud comme à froid peuvent être obtenus sous les formes les plus variées : tôles de toutes épaisseurs, profilés de forme complexe... En particulier dans le cas des tôles, la fabrication peut être réalisée, sans inconvénient, sur des laminoirs modernes à cages multiples et opérant à de très grandes vitesses, ce qui permet l'élaboration de ces alliages dans des conditions économiques. Après transformation et avant emboutissage, les alliages selon l'invention subissent un traitement thermique de mise en solution. Ce traitement peut être effectué dans un domaine de température très étendu, ce qui est un avantage du point de vue facilité d'élaboration : ce domaine peut aller en effet de 400" environ à 5800 environ, la zone la plus généralement retenue étant 510 5500 C. La durée de mise en solution peut également varier dans un domaine important, ce qui est encore un avantage de ces alliages : cette durée pouvant être seulement de quelques minutes ou même moins, sa réalisation peut être effectuée dans des fours à passage. Ces alliages sont, après mise en solution, peu sensibles à la vitesse de refroidissement car ils sont pratiquement "autotrempants" : en conséquence, le refroidissement après mise en solution n'a pas besoin d-'être effectué obligatoirement à l'eau, mais peut être réalisé au brouillard ou surtout plus simplement à l'air calme ou soufflé. Après traitement thermique, l'alliage subit une maturation à la température ambiante qui se traduit par une amélioration importante de ses caractéristiques mécaniques ( limite élastique et charge de rupture) sans préjudice sur la plasticité ( allongements à la rupture en particulier). Par ailleurs, afin d'assurer une bonne planéité aux produits, en vue par exemple de leur emboutissage, une opération de planage peut être effectuée après trempe à l'aide de tous les moyens habituels ( planage par traction, passage sur planeuse à rouleaux, skin-pass, planage sous tension ... etc). La capacité d'emboutissage s'apprécie au moyen d'essais dans lesquels un flan de 11 alliage considéré est déformé dans une matrice au moyen d'un poin çon. Au début de la déformation les bords du flan sont maintenus en position au moyen d'un serre-flan. Le test rectangulaire et le test carrosserie sont souvent utilisés car ils sont d'une grande sensibilité. Test rectangulaire Les figures 1, 2, 3 , 4, 5 et 6 représentent l'outillage et la pièce d'essai ou flan utilisés pour ce test. La figure 1 est une vue en élévation du poinçon. La figure 2 est une vue latérale du poinçon montrant que sa base d'attaque est asymétrique. La figure 3 est une vue de dessus du poinçon. La figure 4 est une élévation et coupe de l'ensemble serre-flan S et matrice M. La figure 5 est une vue en plan correspondant au repère M de la figure 4. La figure 6 représente la vue en plan du flan qui est une tôle découpée en forme octogonale; la direction de laminage de cette tôle étant parallèle à la flèche . Les rayons de raccordement A et B et les dimensions C et D de la matrice sont choisis en fonction de l'apaisseur du flan 6 Epaisseur du flan : A : B : C : fl mm : mm : mm : mm : mm 1 : 4 : 16 : 160 : 98 1,2 : 6 : 16,5 : 161 : 99 1,5 : 6 : 16,5 : 161 : 99 1 : 8 : 16 : 160 : 98 1 : 12 : 16 : 160 : 98 L'ensemble de l'outillage est monté sur une presse hydraulique de 600 à 900 kN. Le jeu entre le flan et l'intervalle matrice serre-flan est égal à 10 % de l'épaisseur du flan. La vitesse de descente du poinçon est de 2 mètres par minute. Avant l'essai l'outillage et le flan sont nettoyés au trichlo réthylène puis lubrifiés au suif. Le critère de la capacité d'emboutissage est la profondeur maximale d'emboutissage que peut supporter l'alliage étudié sans apparition de criques. Test carrosserie - Ce test est assez semblable au précédent; le critère est, ici aussi, la profondeur maximale d'emboutissage que peut supporter un flan de l'alliage étudié de forme bien déterminée dans des conditions bien déterminées. Toutefois, ces conditions sont nettement plus sévères puisque le serre-flan présente des protubérances allongées encore appelées joncs et que la face horizontale de la matrice présente des rainures correspondant aux joncs. La coopération entre joncs et rainures déforme le flan avant l'emboutissage, le mettant ainsi en tension et pendant l'emboutissage s'oppose à l'écoulement du métal en dehors du serre-flan. La figure 7 représente une vue latérale du poinçon. Les figures 8,9 et 10 sont des demi-coupes du poinçon. La figure 11 est une vue de dessus, la figure 12 une vue latérale dans une direction perpendiculaire à celle de la figure 7. Ce poinçon est fortement asymétrique. La figure 13 représente en coupe et élévation, l'ensemble serre-flan S et matrice M; deux des joncs et les rainures correspondantes T y sont visibles. La figure 14 est une vue en plan de la matrice montrant la disposition des 4 rainures T. Les figures 15, 16, 17 et 18 sont des coupes agrandies des quatre ensembles joncs-rainures. La figure 19 est une vue en plan du flan utilisé pour essai qui est découpé dans une tôle et a une forme octogonale. Le sens du laminage est orienté parralèlement à la flèche portée sur la figure 19. L'ensemble de l'outillage est monté sur une presse hydraulique de 2000 kN. Le jeu entre le flan et l'intervalle matrice serre-flan est égal à 10 % de l'é- paisseur du flan. La vitesse de descente du poinçon est de 2 mètres par minute. Avant ltessai l'outillage et le flan sont dégraissés au trichloréthylène puis lubrifiés au suif. Le test rectangulaire et le test carrosserie ont permis de montrer la supériorité du point de vue de ltemboutissage des alliages conformes à l'inven- tion comme le montrent les exemples ci-après donnés à titre illustratif mais non limitatif. Exemples - Huit alliages repérés A B C D E F G H conformes à l'invention et un alliage A-U2G normal repère T ont été élaborés à partir des mêmes lots d'aluminium et d'alliagemère Al-Mg et Al-Cu. Leurs compositions sont données dans le tableau qui suit.Ces alliages ont été coulés sous forme de plaque de laminage par un procédé semi-continu. Repère : Cu : Mg : Fe : Si : Mn : Zn : Ti A : 1,47 : 0,69 : 0,53 : 0,22 : 0,13 : 0,07 :0,025 B : 1,50 : 1,09 : 0,52 : 0,22 : 0,14 : 0,08 :0,025 C : 1,48 : 1,49 : 0,52 : 0,23 : 0,14 : 0,08 :0,020 D : 1,53 : 2,56 : 0,51 : 0,20 : 0,12 : 0,08 :0,025 : . : : : : E : 1,76 : 0,69 : 0,53 : 0,21 : 0,13 : 0,07 :0,025 F : 1,75 : 1,03 : 0,54 : 0,22 : 0,14 : 0,07 :0,020 G : 1,75 : 1,96 : 0,53 : 0,22 : 0,13 : 0,09 :0,020 H : 2 : 0,71 : 0,51 : 0,22 : 0,13 : 0,07 :0,030 T : 2,45 : 0,45 : 0,55 : 0,22 : 0,14 : 0,06 :0,020 Les plaques de format 70 x 380 mm ont-été écroutées de 5 mm sur chaque face, laminées à chaud jusqu'à l'épaisseur de 5 mm puis à froid jusqu'à ltépais- seur de 1 mm sans aucun traitement thermique intermédiaire. Les tôles ainsi réalisées ont été traitées thermiquement dans un four à passage à 4 zones de chauffe réglées respectivement à 575 - 575 - 560 et 5500C. Compte tenu de la longueur du four et de la vitesse de passage ( 9 m/mn), la durée totale de séjour dans le four a été de 3 mn 20 s et la durée du maintien des tôles à une température comprise entre 510 et 5300 C a été de 1 mn environ. A la sortie du four à passage, les tôles ont été refroidies à l'air soufflé puis planées sur une planeuse à rouleaux. Les tôles après traitement thermique de mise en solution et trempe ont été découpées de façon à obtenir des flans pour emboutissage conformes aux figures 6 et 19, ainsi que des éprouvettes de traction. Le tableau I donne l'en- semble des résultats des essais d'emboutissage. TABLEAU I : : :Profondeur maximale de l'embouti Alliage : Cu : Mg : - Test : Test rectangulaire : carrosserie mm : mm A : 1,47 : 0,69 : 44 : 82 B : 1,50 : 1,09 : 42 : 79 C : 1,48 : 1,49 : 42 : 76 D : 1,53 : 2,56 : 43 : 70 E : 1-,76 : 0,69 : 41 : 74 F : 1,75 : 1,03 : - : 72 G : 1,75 : 1,96 : 39 : 66 H : 2,-- : 0,71 : 40 : 66 T : 2,45 : 0,45 : 39 : 65 Ces valeurs montrent une supériorité très nette des alliages faisant l'objet de l'invention par rapport à l'alliage T témoin , et ceci en particulier dans le cas des alliages relativement peu chargée en Cu et Mg. De plus, les capacités d'emboutissage des alliages les moins chargés en Cuivre sont extrêmement peu sensibles à la variation de la teneur en magnésium. Les éprouvettes de traction découpées dans les tôles mises en solution et trempées ont subi avant essai trois sortes de traitement thermique conduisant aux trois états ci-après Etat a - alliages ayant subi une maturation de 1 mois à la température ambiante après mise en solution et trempe. Etat b - les alliages à l'étant a ont subi le cycle thermique ci-après qui simule un cycle accompagnant les traitements de peinture maintien 30 mn à 1500 C -refroidissement à la température ambiante à l'air -maintien 1 h à la température ambiante -maintien 30 mn à 140 C -refroidissement à la température ambiante à l'air Etat c - les alliages à l'état a ont subi le cycle thermique ci-après qui simule un autre cycle accompagnant les traitements de peinture maintien 30 mn à 1800 C -refroidissement à la température ambiante à l'air - maintien 1 h à la température ambiante - maintien 30 mn à 1200 C - refroidissement à la température ambiante à l'air Les caractéristiques ci-après ont été déterminées -limite élastique à 0,2 X : symbole LE 0,2 en Kg/ mn -charge de rupture : symbole R, en kg/ mm -allongements répartis, à savoir allongements mesurés sur l'éprouvette après rupture mais dans une zone ne renfermant pas la striction symbole Arép en % ( base de mesure 5,65#So ), et ceci seulement sur l'état a car cette caractéristique intéresse l'aptitude du métal à l'emboutissage (So est la section de l'éprouvette avant rupture). -allongements à la rupture : symbole A en % ( base de mesure rup 5,65 tr~So ). Les résultats des essais de traction sont groupés dans le tableau Il. TABLEAU II :Repère : Etat a : Etat b : Etat c alliage :LE 0,2: R : A Rép:A rup :LE 0,2: R :A rup :LE 0,2: R :A rup :kg/mm: kg/mm: % : % :kg/mm2:kg/mm2: % :kg/mm:kg/mm: % : A : 17,2 : 31 ,-: 16,5 : 27,8 : 18,4 : 30,8 : 29,5 : 17,5 : 29,7 : 27,5: : B : 17,5 : 32,2 : 16,8 : 28,8 : 20,6 : 33,9 : 28,7 : 20,2 : 33,2 : 27,5: : C : 16,8 : 32,7 : 17,5 : 27,5 : 19,8 : 34,6 : 27,2 : 20,1 : 34,2 : 28,5: : D : 19,1 : 35,6 : 19,3 : 30,- : 22,7 : 38,- ; 29,3 : 23,4 : 38,4 : 28,7: : : : : : : : : E : 18,5 : 33,2 : 18,2 : 27,5 : 19,8 : 32,9 : 27,5 : 19,- : 31,6 : 27,6: F 18,4 : 34,3 : 18,5 : 27,5 : 21,5 35,7 26,- : 21,2 : 34,9 : 27,2: G : 18,1 : 34,5 : 17,7 : 28,8 : 20,8 : 36,7 : 30,2 : 21,6 : 36,8 : 29,2: : H : 19,6 : 34,3 : 17,5 : 26,7 : 20,7 : 33,9 : 28,5 : 19,6 : 32,8 : 28,2: : T : 18,3 : 32,2 : 15,8 : 28,3 : 17,3 : 30,3 : 27,- : 15,7 : 28,4 : 27,3: Ces résultats montrent qu'a l'état a, pour les alliages selon l'invention les allongements répartis qui caractérisent leur aptitude à l'emboutissage, sont plus élevés que ceux de l'alliage témoin, ce qui confirme bien l'amélioration de la capacité d'emboutissage. Aux états b et c qui caractérisent au contraire l'état d'utilisation de l'alliage après emboutissage ( rigidité de la carrosserie par exemple, résistance à la déformation, au cloquage, . .), les alliages A à H présentent des caractéristiques et en particulier des limites élastiques et des charges de rupture très nettement supérieures à celles de l'A-U2G normal T REVENDICATIONS 1 - Alliage d'aluminium caractérisé par une teneur en cuivre comprise entre 1,3 et 2 % en poids, une teneur en magnésium comprise entre 0,75 et 2,75 % en poids, les teneurs en impuretés habituelles de l'aluminium étant de préférence inférieures à 0,4 % pour le Si 0,7 % Fe 0,2 % Mn 0,25 % Zn 0,1 % Cr 0,2 % Ti 2 - Utilisation de l'alliage selon la revendication 1, pour le formage de pièces par emboutissage. 3 - Les objets emboutis fabriqués avec l'alliage selon la revendication 1.