Brevet FR2135642A1 — publié le 19721222

2135642, La présente invention concerne un procédé de préparation d'alliages à base d'aluminium très ductiles et à haute résistance. Plus spécialement, la présente invention concerne un procédé de préparation d'alliages à base d'aluminium beaucoup plus ductiles que les alliages connus à haute résistance. Il est évidemment très avantageux de produire des alliages à base d'aluminium à haute résistance et très ductiles, en particulier quand il s'agit d'alliages à base d'aluminium courants, peu coûteux et qui peuvent être préparés à l'échelle industrielle. On connaît d'une manière générale divers procédés d'augmentation de la résistance d'alliages à base d'aluminium. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 490 955 décrit un procédé de production d'un alliage à résistance mécanique accrue. On connaît par ailleurs d'autres procédés,mais la plupart de ces procédés sont coûteux et compliqués, ou caractérisés par un grand nombre de phases successives qui sont peu commodes et coûteuses à mettre en oeuvre. En outre, les procédés connus sont souvent caractérisés par des conditions opératoires définies avec précision qui rendent difficile la mise en oeuvre à l'échelle industrielle de ces procédés. De plus, les procédés destinés à augmenter la résistance mécanique des alliages d'aluminium sont souvent basés sélectivement sur l'addition à l'alliage d'élément d'alliage particuliers et souvent ne peuvent être mis en oeuvre dans une-gamme étendue d'alliages à base d'aluminium. Outre ce qui précède, les procédés destinés à augmenter la résistance des alliages d'aluminium laissent souvent beaucoup à désirer en ce qui concerne la résistance à la rupture obtenue. En outre, les procédés classiques augmentent souvent la résistance mécanique d'un alliage d'aluminium avec une altération concomitante d'autres caractéristiques mécaniques avantageuses telles que la ductilité, et améliorent souvent une propriété avec dégradation simultanée d'une autre. L'invention a donc pour objet : un procédé de préparation d'alliages à base d'aluminium de haute résistance ayant .une ductilité accrue, un alliage amélioré et un procédé pour sa préparation, comme indiqué ci-dessus, qui est peu coûteux, commode et facile à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle ; un alliage amélioré et son procédé de préparation comme indiqué ci-dessus qui acquiert une résistance considérablement accrue sans altération excessive de caractéristiques physiques avantageuses comme par exemple la conductibilité électrique et les caractéristiques d'usinage. 72 15976 2 2135642 ^ D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation. Selon la présente invention, on a observé que les objets et avantages ci-dessus sont faciles à atteindre et qu'on peut préparer un alliage amélioré par un procédé commode. Le procédé de préparation des alliages selon l'invention comprend les opérations ci-après : A) préparation d'un alliage à base d'aluminium contenant 0,05 à 1% de fer, 0,005 à 1% de silicium, au moins un matériau choisi dans le groupe ci-après : magnésium, moins de 10% ; manganèse, moins de 3%; cuivre, moins de 1%; chrome, moins de 0,5% ; zinc, moins de 0,5% ; zirconium, moins de 0,5% ; titane, moins de 0,5 % ; bore moins de 0,1%; autres éléments moins de 0,5% chacun, et au total moins de 1,5%, le reste étant essentiellement de l'aluminium. B) déformation dudit alliage, de préférence par laminage, extrusion ou étirage à une température comprise entre 232 et 510°C et de préférence entre 288 et 454°C, jusqu'à une réduction totale dépassant 20%. C) déformation dudit alliage, de préférence par laminage, extrusion ou étirage à une température inférieure à 232°C, avec une réduction totale dépassant 20%. D) maintien dudit alliage à une température comprise entre 121 et 343°C pendant une durée ne dépassant pas celle définie par la formule ci-après : T(8,95 + log t) = 5 700, dans laquelle T est la température en degrés absolus et _t est la durée maximale, en minutes, de maintien à la température T, de manière qu'il n'y ait pas de recristallisation intéressant toute la matrice et que la diminution de résistance à la traction ne dépasse pas 10%. E) recommencement de l'opération C, et de préférence recommencement des opérations C et D, de préférence plusieurs fois. Selon l'invention, on a observé que le procédé ci-dessus conduit à une augmentation importante de la résistance mécanique, tout en conservant une grande ductilité même avec les alliages d'aluminium couraftts et même avec la mise en oeuvre de traitements thermiques après un fort écrouissage. Par exemple, on a obtenu de manière reproductible des caractéristiques de haute résistance à la traction, associées à une grande ductilité, l'amélioration dépassant en général par exemple 5% quand on recommence les opérations C et D, si. bien qu'on obtient une ductilité étonnamment améliorée avec une 2 résistance mécanique élevée, par exemple comprise entre 38,5 et 49 kg/mm . 72 1^976 3 2135642 D'une manière générale, l'invention est applicable à une grande variété d'alliages d'aluminium, comme indiqué ci-dessus, y compris l'aluminium très pur, et on observe une amélioration importante avec tous ces matériaux. Cependant, il est préférable que l'alliage d'aluminium contienne moins de 99,5 % d'aluminium et, évidemment, que certains éléments d'apport soient présents dans l'alliage. Ceci est mis en évidence ci-après où l'on indique les quantités admissibles et préférées, en poids, des éléments d'apport : silicium 0,05 à 1%, de préférence 0,3 à 0,7% ; fer 0,05 à 1% de préférence 0,1 à 0,8%. Outre le fer et le silicium, l'alliage doit contenir au moins un des matériaux ci-après:à 1% de préférence 0,1 à 0,57» , de cuivre; 0 à 3 % , de préférence 0 à 1,6% de manganèse; 0 à 10%, de préférence 0,1 à 5%, de magnésium ; 0 à 0,5%, de préférence 0,1 à 0,25% de chrome; 0 à 0,5%, de préférence 0,05 à 0,3% de zinc; 0 à 0,5%, de préférence 0,002 à 0,3% de zirconium; 0 à 0,1%. de bore ; 0 à 0,5% , de préférence 0 à 0,2% de titane ; autres éléments moins de 0,5% pour chacun et moins de 1,5% au total, de préférence moins de 0,05% pour chacun et moins de 0,15% au total. En général, les alliages préférés sont ceux des séries 1000, 3000 et 5000 (normes des Etats-Unis d'Amérique). Selon l'invention, les alliages à base d'aluminium peuvent être coulés de toute manière désirée. Le procédé de coulée n'est pas imposé et on peut employer n'importe quel procédé industriel, tel que la coulée directe en coquille ou avec moule basculant. Il est préférable, conformément à l'invention, de mettre en oeuvre un traitement d'homogénéisation ou de passage en solution après la coulée. La température du traitement d'homogénéisation dépend de l'alliage mais il doit être mis en oeuvre à une température supérieure à 454°C et dans une région à une seule phase pour les constituants principaux. La pièce de coulée doit être maintenue à cette température pendant au moins 4 h. Après l'opération d'homogénéisation ou de passage en solution, le lingot doit être rapidement refroidi au-dessous de 232°C, et de préférence rapidement refroidi au-dessous de 121°C à la vitesse d'au moins 220°C à l'heure. Si on le désire, et conformément à l'invention, l'opération de passage en solution peut être associée à la coulée, autrement dit pendant la coulée, le matériau peut être refroidi à partir de sa température de solidification. Le but de l'opération de passage en solution est le suivant : quand l'alliage d'aluminium contient des apports d'alliage comme indiqué ci-dessus, l'opération de passage en solution, suivi d'un refroidissement rapide fait passer en solution la plus grande quantité possible de ces matériaux. Par 72 15976 2135642 conséquent,les éléments du soluté ou apports d'alliage sont en solution solide de préférence dans la proportion maximale, dans l'aluminium ou la matrice formant solvant. C'est, comme indiqué ci-dessus, une opération à préférer. Les opérations suivantes selon l'invention sont les opérations délicates de déformation. Le type préféré d'opération de déformation est le laminage et le présent mémoire descriptif concerne particulièrement ce type de déformation. Cependant, il est entendu qu'on peut envisager d'autres types de traitement tels que l'étirage, l'étampage ou 1'extrusion. Une opération délicate consiste en ce que le matériau est tout d'abord traité, par exemple par laminage, à une température comprise entre environ 232 et 510°C avec une réduction totale supérieure à 20%. Il est préférable de le laminer entre 288 et 454°C et ce matériau peut Être laminé en une ou plusieurs passes. Dans tout le présent mémoire, le mot "réduction" signifie réduction totale de la section transversale. C'est cette opération de laminage qui, chose inattendue et étonnante, est à l'origine de l'augmentation de malléabilité de l'alliage, avec des valeurs de résistance élevée inconnues dans la technique antérieure. Le matériau est ensuite travaillé à une température inférieure à 232°C, avec une réduction totale dépassant 20%. Il est préférable d'opérer à une température inférieure à 190°C. En général, il est préférable de procéder à plusieurs réductions relactivement faibles,mais d'au moins 15%, plutôt qu'à une réduction importante. Au total, la réduction peut Être aussi importante qu'on le désire. Par exemple, on peut réaliser une réduction totale dépassant 99%, c'est-à-dire obtenir des fils. Après le laminage ou un autre traitement, le matériau est maintenu à une température comprise entre 121 et 343°C pendant un intervalle de temps bien déterminé ne dépassant pas celui défini dans la formule ci-après : T(8,95 + log t) = 5 700, dans laquelle T est une température donnée en degrés absolus entre les limites sus-mentionnées et _t est la durée maximale du maintien à cette température T, en minutes. La durée minimale de maintien à cette température n'est pas spécialement imposée, mais doit Être d'au moins une seconde. Evidemment, plus la température est élevée entre les limites ci-dessus, plus la durée maximale de maintien à cette température est courte j par contre plus la température est basse et plus la durée de maintien à cette température est longue. Il est préférable d'opérer entre 121 et 232°C. On peut citer comme exemples de durée maximales admissibles déterminées par la formule ci-dessus : environ 400 h à 149°C, environ 16 h à 205°C et 2mn à 343°C. 72 159-76 5 2135642 Comme indiqué ci-dessus, après l'opération de laminage ou le traitement, le matériau est maintenu entre 121 et 343°C pendant un temps bien déterminé, ne dépassant pas celui calculé par la formule empirique ci-dessus. Il est intéressant d'observer qu'en changeant la forme de cette équation en 1/t = exp 5 (-Q/RT) on obtient une valeur de Q, l'énergie d'activation, qui est légèrement inférieure à celle nécessaire pour la recristallisation de l'aluminium. Ceci indique que le début de la recristallisation est la limite supérieure du traitement thermique. Après le traitement thermique, le matériau est traité ou laminé à 10 nouveau à une température inférieure à 232°C avec une réduction totale Un écrouissage après un traitement thermique à température.peu 15 élevée est peu courant lors de la fabrication de pièces en aluminium forgées, quand un traitement à basse température ou un recuit partiel sont normalement mis en oeuvre pour stabiliser la structure ou abaisser la résistance au niveau choisi pour satisfaire à des conditions spéciales. En fait, les normes "H2X" et "H3X" de l'Aluminium Association des Etats-Unis d'Amérique imposent un 20 écrouissage et un recuit partiel ou un écrouissage suivi d'une stabilisation. Cependant, selon l'invention, un traitement à chaud suivi d'un écrouissage au-dessous de 232°C et un traitement stabilisant ou un recuit partiel, constituant une opération préparatoire à un écrouissage à froid ultérieur au-dessous de 232°C, provoque l'importante amélioration des caractéristiques mécaniques, combinée à 25 une grande ductilité au niveau accru de résistance atteint, de la présente invention . ' Il est préférable de recommencer le laminage à froid au-dessous de 232°C et les opérations de traitement thermique plusieurs fois,, de préférence 3 à 5 fois. Selon l'invention, la dernière opération dû procédé peut être un 30 traitement thermique. . . Une variante de l'invention comporte les opérations ci-après ; si on le désire, le laminage à froid peut être mis en oeuvre dans l'intervalle de températures correspondant au traitement thermique» Par conséquent, quand on procède à un laminage à une température comprise entre 121 et 232°C et 35 qu'on maintient le matériau à çette température , on peut effectivement combiner l'opération de déformation ou de laminage avec.celle de traitement thermique et supprimer ainsi un traitement thermique séparé* 72 15976 6 2135642 Une autre variante comporte les opérations ci-après : la dernière opération peut être, au choix, un traitement thermique à basse température au-dessous de 12113,ou l'opération de maintien selon l'invention à une température comprise entre 121 et 343°C dans les limites permises par la formule 5 ci-dessus, de manière qufil n'y ait pas de recristallisation dans l'ensemble de la matrice mais que la diminution de la limite d'élasticité et de la résistance à la rupture soit inférieure à 25%. Ceci conduirait à des limites élastiques et des résistances à la traction encore nettement supérieures à celles normalement obtenues, associées à une augmentation de ductilité. 10 Selon la présente invention, la première opération de formage à froid conduit à une structure cellulaire à "sous-grains". Ceci signifie que la microstructure de l'alliage est caractérisée par des grains à l'intérieur d'autres grains. Le traitement thermique tend à stabiliser les parois des sous-grains par migration des atomes de soluté en direction des parois des sous-15 grains. La seconde déformation à froid augmente le nombre de surfaces des sous-grains à l'intérieur de la structure subgranulaire, de manière à réduire encore les dimensions des sous-grains quand les opérations de déformation et le traitement thermique sont commencés. Par conséquent, les alliages améliorés selon l'invention sont carac-20 térisés par une ductilité considérablement et étonnemment augmentée associée à une résistance mécanique élevée et une structure subgranulaire ultra-fine avec des sous-grains de dimensions inférieures -ou égales à un micron. Par ailleurs, la structure subgranulaire est très stable. Par ailleurs, les alliages selon l'invention sont caractérisés comme suit : les sous-grains ont des surfaces 25 limites enchevêtrées désordonnées, avec interpénétration, autrement dit stables ou fixes à chaud, cette interpénétration étant réalisée par des éléments alliés, en solution -ou par des vides associée aux éléments alliés en solution. La matrice entre les enchevêtrements désordonnés est constituée par des régions séparées avec une teneur en éléments alliés moindre et un désordre limité. 30 Par ailleurs, la présente invention est caractérisée, comme on l'a indiqué, par une ouvrabilité améliorée des alliages, par exemple par une diminution importante de la fissuration sur les bords pendant le laminage, ce qui conduit à une diminution considérable des rebuts avec les économies concomitantes. La présente invention sera mieux comprise par l'étude des exemples 35 explicatifs ci-après. EXEMPLE_1 Dans les exemples ci-après, on emploie un alliage ayant la composition 72 15976 7 2135642 suivante : Si - 0,087= ; Cu - 0,447c, Mn - 0,77% ; Cr - 0,10%, Mg - 2,9% ; Zn - 0,02% ; Fe -0,17%; Ti - 0,01%. Tous ces alliages sont coulés directement en coquille et des échantillons de 44,5 mm ont été découpés pour les traiter selon la présente invention. EXEHPLE_II Des échantillons de l'alliagé de l'exemple I sont laminés à chaud à 12,7 mm d'épaisseur et refroidis à la température ambiante. Ces échantillons sont ensuite laminés à froid jusqu'à 0,89 mm d'épaisseur .On trouve une» 2 fr résistance à la traction, après traitement, de 45,6 kg/mm , une limite d^las-2 ticité de 44,9 kg/mm pour un allongement permanent de 0,2%, et l'allongement est de 2%. EXEMPLE_1II • - On lamine à chaud à 12,7 mm d'épaisseur des échantillons de l'alliage de l'exemple 1. Ces échantillons sont ensuite refroidis à la température ambiante laminés à'froid à 3,18 mm, chauffés à environ 143°C pendant environ 2,5 h et refroidis à la température ambiante. Ces échantillons sont ensuite laminés à froid jusqu'à 0,89 mm puis chauffés à environ 143°C pendant environ 2,5 h. 2 La résistance à la traction après traitement est de 45,2 kg/mm , 2 la limite d'élasticité est de 41,9 kg/mm pour un allongement permanent de 0,2%., c'est-à-dire en abrégé "à 0,2%" et l'allongement est de 7%. EXEMPLE IV_ On lamine à chaud des échantillons de l'alliage de l'exemple I jusqu'à 12,7 mm d'épaisseur, les refroidit à la température ambiante, les lamine à froid à 3,18 mm, les chauffe à environ 143°C pendant environ 2,5 h et les •s. refroidit à la température ambiante. On lamine à froid ces échantillons jusqu'à 2,03 mm, les chauffe à environ 143°C pendant environ 2,5 h, les refroidit à la température ambiante, les lamine à froid jusqu'à 0,89 mm et les chauffe à environ 143°C pendant environ 2,5 h. 2 La résistance à la traction est de 46,1 kg/mm , la limite d'élasti-2 cité de 43 kg/mm à 0,2% et l'allongement de 5,5% tous mesurés après traitement. EXEMPLE V A titre d'exemple comparatif pour l'exemple II, on amène par usinage des échantillons de l'alliage de l'exemple I à 12,7 mm d'épaisseur. Ensuite, on lamine ces échantillons jusqu'à 3,18 mm d'épaisseur, les chauffe à environ 143°C pendant environ 2,5 h, les refroidit à la température ambiante et les lamine ensuite jusqu'à 0,89 mm d'épaisseur. 2 La résistance à la traction est de 50,4 kg/mm , la limite d'élasticité 2 de 50,3 kg/mm à 0,2 % et l'allongement presque nul, le tout mesure après traitement. 72 15976 8 2135642 EXEMPLE VI A titre d'exemple comparatif pour l'exemple III, on amène par usinage à 12,7 mm d'épaisseur, lamine à froid jusqu'à 3,18 mm, recuit à environ 143°C pendant environ 2,5 h puis refroidit à la température am~ 5 biante des échantillons de l'alliage de l'exemple I. Ces échantillons sont ensuite laminés à froid jusqu'à 0,89 mm et ensuite recuits à environ 143°C pendant 2,5 h. * 2 La résistance à la traction est de 47 kg/mm , la limite élastique 2 de 43,8 kg/mm à 0,2% et l'allongement de 5%, tous mesurés après traitement. 10 A titre d'exemple comparatif de l'exemple IV , on amène par usinage à 12,7 mm d'épaisseur, lamine à froid jusqu'à 3,18mm, chauffe à environ 143°C pendant environ 2,5 h et refroidit à la température ambiante des échantillons de l'alliage de l'exemple I. Ensuite, on lamine à froid ces échantillons 15 jusqu'à 2,03 mm, les chauffe à environ 143°C, les refroidit à la température ambiante, les lamine à froid jusqu'à 0,89 mm et les chauffe à environ 143°C pendant environ 2,5 h. 2 La résistance à la traction est de 47,3 kg/mm , la limite d'élasti-2 cité de 43,9 kg/mm à 0,2% et l'allongement de 5%, tous mesurés après 20 traitement. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 72 15976 2135642 9 revendications 1. Procédé de préparation d'alliages, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations ci-aprës : A) préparation d'un alliage à base d'aluminium contenant 0,05 à 1% de fer, 0,005 à 17» de silicium, au moins un matériau choisi dans le groupe ci-après : magnésium, moins de 10%, ; manganèse, moins de 37» ; cuivre, moins de 1%; chrome moins de 0,5% ; zinc moins de 0,57» ; zirconium,moins de 0,57», titane, moins de 0,5 %, bore, moins de 0,1% ; autres éléments, moins de 0,5% chacun, et au total moins de 1,5%, le reste étant essentiellement de l'aluminium. B) déformation dudit alliage, de préférence par laminage, extrusion ou étirage à une température comprise entre 232 et 510°C et,de préférence,entre 288 et 454°C, jusqu'à une réduction totale dépassant 20%. C) déformation dudit alliage, de préférence par laminage, extrusion ou étirage, à une température inférieure à 232°C, avec une réduction totale dépassant 20%. D) maintien dudit alliage à une température comprise entre 121 et 343°C pendant une durée ne dépassant pas celle définie par la formule ci-après : T(8,95 + log t) = 5 700, dans laquelle T est la température en degrés absolus et _t est la durée maximale, en minutes, de maintien à la température T, de manière qu'il n'y ait pas de recristallisation intéressant toute la matrice et que la diminution de résistance à la traction ne dépasse pas 10%.. E) recommencement de l'opération C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on recommence les opérations C et -D une ou plusieurs fois. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la déformation de l'opération B est effectuée entre 288 et 454°C. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les matériaux de l'opération A sont présents dans les proportions ci après : silicium 0,3 à 0,7 %; fer 0,4 à 0,8 %; au moins un matériau choisi dans le groupe ci-après : cuivre 0,1 à 0,5% ; manganèse au maximum 1,6%., magnésium au maximum 5%, chrome au maximum 0,2%, zinc au maximum 0,3%, titane au maximum 0,2%, zirconium au maximum 0,3% et bore au maximum 0,05%. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant ladite opération de déformation à chaud B, la matière est homogénéisée à une température supérieure à 454°C pendant au moins 4 h. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que , après ladite opération de laminage à chaud, le matériau est rapidement refroidi au-dessous de 232°C. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération B 72 15976 10 2135642 estun laminage au-dessous de 93°C. 8. Alliage d'aluminium à haute résistance, caractérisé en ce qu'il contient 0,05 à 1% de fer ; 0,05 à 17» de silicium, et au moins un matériau choisi dans le groupe ci-après : magnésium, moins de 107= ; manganèse, moins 5 de 37o ; cuivre, moins de 17, ; chrome, moins de 0,57» ; zinc, moins de 0,57» ; zirconium, moins de 0,5% ; titane, moins de 0,57» ; bore, moins de 17»; le reste étant essentiellement de l'aluminium, et ledit alliage a une structure subgranulaire à grains ultra-fins et les dimensions des sous-grains sont inférieures à 0,1 micron et les sous-grains ont des surfaces limites consti- 10 tuées par des enchevêtrements de dislocation s'entrepénétrant. 9. Alliage selon le revendication 6, caractérisé en ce que la matrice entre les enchevêtrements de dislocation est constituée par des régions séparées ayant une teneur plus faible en apports d'alliage et une faible densité de dislocation. 15 10. Alliage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il contient 0,3 à 0,7% de silicium, 0,4 à 0,8% de fer, et au moins une matière choisie dans le groupe ci-après : cuivre, 0,1 à 0,3 %>; manganèse, au maximum 1,6% ; magnésium, au maximum 5% ; chrome, au maximum 0,2%, ; zinc, au maximum 0,3%; titane, au maximum 0,2% ; zirconium, au maximum 0,3%; bore au maximum 0,05%,. CGPY