Brevet FR2132786A1 — publié le 19721124

i 2132786 La présente invention est relative à des alliages superplastiques de zinc et d'aluminium. Les alliages superplastiques sont des alliages qui peuvent subir de grandes déformations quand ils sont soumis à des contraintes de fluage faibles 5 et des vitesses de déformation relativement lentes. Les alliages superplastiques de zinc et d'aluminium à base d'une composition eutectique à 22$ en poids d'aluminium sont connus. Ces alliages sont obtenus par traitement thermique de l'alliage au-dessus de la température de l'euteetique (275°C) 10 pour homogénéiser la structure de l'alliage," ce traitement étant suivi d'un refroidissement (particulièrement par trempe) et d'un travail à une température inférieure pour développer une structure de grains fins équiaxée. La présente invention concerne particulièrement 15 un procédé d'élaboration d'alliages de zinc superplastiques en partant d'alliages qui contiennent, au moins initialement, la structure eutectique Zn/Al. La présente invention est relative à un procédé de production d'une tôle d'alliage superplastique de zinc et d'alu-20 minium, procédé qui consiste à laminer, à une température comprise entre 20 et 200°C, une masse d'un alliage composé en prédominance de zinc et d'aluminium et montrant la structure eutectique zinc/aluminium, pour produire une tôle ayant une épaisseur comprise entre 1$ et 50$ de l'épaisseur de départ (c'est-à-dire avec 25 une réduction comprise entre 50$ et 99$, sur la base de l'épaisseur initiale). L'alliage est de préférence réduit d'au moins 70$ sur la base de l'épaisseur initiale, par le procédé décrit dans le paragraphe ci-dessus, et de préférence de 75 à 95$-30 La masse d'alliage peut être à l'état brut de cou lée ou à l'état brut de laminage, à une température dépassant 200°C. On peut exécuter le traitement en laminant l'alliage brut de coulée, sans aucun traitement thermique- intermédiaire. L'alliage peut comprendre du zinc et de l'aluminium 35 seuls et ne contenir que des impuretés accidentelles. La structure eutectique se manifeste pour une teneur en aluminium comprise entre 1 et 19,8$, la composition eutectique comprenant 5$ d'aluminium. Dans une variante, un ou plusieurs autres éléments d'alliage peuvent être présents, à condition que la structure eutec-40 tique ne soit pas altérée. Des exemples de tels éléments sont le 72 12348 2 2132786 cuivre, en une quantité pouvant atteindre 5$ et de préférence 1% seulement, en poids, et le magnésium en une quantité pouvant atteindre Vfc et de préférence 0,25$ seulement, en poids. De telles additions affectent la résistance mécanique, la dureté et la 5 résistance au fluage.La masse de ltelliage peut être une charge de laminage coulée en coquille ou coulée de façon continue. L'épaisseur initiale de la masse à traiter peut varier, mais on préfère qu'elle soit comprise entre 12,7 et 152,4nm. On préfère, spécialement lorsque l'alliage contient 10 un ou plusieurs autres éléments d'alliage, en plus du zinc et de l'aluminium, laminer l'alliage au cours d'un stade préliminaire à une température comprise entre 200 et 350°C pour obtenir une réduction comprise entre 40 et 99# sur la base de l'épaisseur initiale et, mieux encore, une réduction comprise entre 40 et 15 60$. Ce stade préliminaire est appelé par la suite un laminage à chaud initial. Le pourcentage de réduction tant dans le stade préliminaire du laminage à chaud initial que dans le stade de laminage à une température plus basse selon l'invention est basé sur 20 l'épaisseur au début de ce stade. Les avantages de ce laminage à chaud initial semblent être une "cicatrisation" des défauts superficiels et des défauts internes de l'alliage coulé, une réduction ou une suppression des criques lors du laminage ultérieur à température 25 plus basse et une réduction des charges de laminage pour augmenter l'économie du procédé. Il apparaît que le travail de l'alliage déforme la phase euteetique lamellaire et toute phase primaire présente pour les transformer en une structure équiaxée de grains fins. 30 La présente invention vise également une tôle ob tenue à partir d'un corps en alliage superplastique de zinc et d'aluminium, quand elle est fabriquée par le procédé selon l'invention. On comprendra mieux l'invention en se référant au 35 tableau ci-dessous qui est donné à titre illustratif seulement. 72 12348 3 2132786 TABLEAU I v_ Alliage Mode de coulée Traitement Al # Cu # f Laminage à chaud Laminage de finissage TFV" Réduct. Temp. Réduct. Temp. 1 5,5 0,5 0,1 CM 50# 250°C 80# 100°C 205 2 5,5 0,5 0,1 C 50# 250 °C 87# 100°C 80 3 5,3 - - C - - 93# 100°C 125 4 5,3 - - C 50# 300°C 87# 100 °C 180 5 5,0 0,13 C 50# 300°C 87# 23 °c 220 6 5,2 0,15 0,03 DCC 50# 300°C 87# 100°C 110 7 5,2 0,15 0,03 DCC 50# 250°C 87# 23 °c 90 8 5,2 0,15 0,03 DCC 50# 200°C 87# 23 °c 80 9 5,1 - 0,07 C 50# 300°C -87# 23 °c 100 10 5,2 0,15 0,10 DCC 50# 300°C 87# 100°C 70 11 6,9 3,7 - C 50# 250°C 87# 100°C 105 12 12,2 - - C 50# 300°C 87# 100°C 335 13 5,0 0,49 0,1 G 80# 300°C 87# 100°C. 265 14 5,0 1,0 C 50# 300 °C 87# . 23 °c 235 15 5,2 0,15 0,03 DCC 50# 300°C 87# 23'°c 9° Dans le tableau, les pourcentages des métaux 25 s'entendent par rapport au poids de l'alliage, le complément étant du zinc dans tous les cas. La charge d'alliage est un matériau de 19,05 mm coulé en coquille (G) ou bien un matériau de 19,05 mm coule directement en coquille de façon continue, (DCC) ou encore un ma-30 tériau de 50,8 mm coulé en coquille (G) pour essais de production. Le matériau CM est un matériau de 19,01 mm coulé- en coquille, usiné jusqu'à une épaisseur de 12,7 mm avant travail. Le pourcentage de réduction est basé dans tous les cas sur l'épaisseur au commencement du stade envisagé. 35 L'abréviation TFV signifie "temps de formage sous vide", mesuré en secondes, pour une tôle ayant nominalement 1,27 mm d'épaisseur à 300°C. Ce temps est une mesure connue de la superplasticité et on le détermine (a) en bloquant un disque 72 12348 4 2132786 d'alliage sur l'extrémité d'un tube ayant un diamètre interne de 8l,28 mm, maintenu dans une enceinte dans laquelle l'air est à une température contrôlée par thermostat, (b) en appliquant une pression différentielle de 1 atmosphère au droit du disque 5 et (c) en mesurant le temps nécessaire pour donner au disque la forme d'un dôme de 29,21 mm de hauteur, c'est-à-dire pour augmenter sa surface de 50$. On utilise une sonde appropriée pour établir le moment où la condition désirée est atteinte. Bien que l'invention ne soit pas limitée par la valeur TFV 10 atteinte, on a constaté que les valeurs de TFV inférieures à environ 3 secondes sont la plupart du temps sans utilité. Bien que la superplasticité soit un phénomène complexe qui peut être fortement affecté par des variations de temps, de température, de composition et de trait-ement, et que 15 des résultats exactement reproductibles ne puissent être obtenus qu'avec difficulté, on peut faire plusieurs observations générales en établissant une comparaison entre les exemples ci-dessus, comme suit : (a) on diminue la valeur de TFV en augmentant 20 le degré du laminage de finissage. Ceci ressort plus clairement d'une comparaison des exemples 1 et 2, mais ressort également des exemples 3 et b ; (b) on diminue la valeur de TFV en réduisant la température du laminage de finissage jusqu'à une valeur com- 25 prise dans le domaine utilisé dans le procédé selon l'invention. Ceci ressort d'une comparaison de l'exemple la, donné dans le tableau comparatif 1A ci-dessous avec l'exemple 3 du tableau 1 (pas de laminage à chaud initial) et de 30 l'exemple 2a du tableau 1A avec l'exemple 5 du tableau 1 (montrant également que le laminage de finissage est le facteur déterminant). La comparaison de l'exemple 6 avec l'exemple 7 ou l'exemple 8 suit également le même processus. 72 12348 5 2132786 TABLEAU 1A Alliage Coulée Traitement TFV Al $ Cu $ 7 Laminage de finissage Réduction Temp. la 5,0 - - C 93$ 350°C 350 2a 5,0 0,13 - C 93$ 300°C 405 3a 5,0 1,0 - C 93$ 300 °C- 640 Les exemples du tableau oi-dessus sont donnés à des fins de comparaison seulement et n'entrent pas dans le cadre de la présente invention. (c) On réduit la valeur de TFV en réduisant la température du laminage à chaud initial. Cette caractéristi-15 que apparaît plus clairement quand on compare les exemples dans lesquels le laminage de finissage est effectué à 23°C jusqu'à une réduction de'87$, c'est-à-dire les exemples 7 et 8. En général, plus la température du laminage à chaud initial est basse, plus la valeur de TFV est faible. Des conclusions simi-20 laires peuvent être tirées des exemples dans lesquels le laminage de finissage est effectué jusqu'à 87$ à 100°C. Il est visible que les dimensions initiales, les procédés de moulage et les compositions des alliages sont également des variables qui peuvent avoir une certaine influence sur les temps de formage 25 sous vide. (d) On peut réduire la valeur de TFV en partant d'une structure coulée aussi fine que possible et en favorisant ainsi les processus de travail pour obtenir une structure à grains fins. Dans les exemples donnés, la structure cou- 30 lée devient plus fine dans la succession d'opérations partant d'un matériau coulé en coquille pour des essais de production, de 50,8 mm, pour former un matériau coulé en coquille de 19 mm et enfin un matériau coulé directement en coquille en continu de 19 mm ; 35 (e) plus la température de travail choisie en tre 20 et 200°C est basse, plus la valeur de TFV est basse (comparer les exemples 6 et 15 du tableau l), bien que des problèmes de fendillement puissent se poser à des températures aussi basses que 20 à 50°C. Une température de 100°C est, pour 40 cette raison, la température de travail préférés 72 12348 6 2132786 La composition a un effet plus complexe. Elle peut affecter la finesse de la structure moulée et, ce qui est plus important, elle peut altérer la composition eutectique, c'est-à-dire la proportion d'aluminium nécessaire pour obtenir 5 une structure complètement eutectique. En général, il est désirable d'utiliser une structure de départ complètement eutectique en vue d'obtenir une valeur minimale TFV (comparer par exemple les exemples 4 et 12). La structure eutectique complète est obtenue avec 5# 10 de Al dans l'alliage binaire mais une addition, par exemple de Cu (pour augmenter la résistance mécanique), augmente la proportion nécessaire de Al. Par conséquent, des additions à un alliage à 5$ de Al peuvent augmenter la valeur de TFV. Si nécessaire, on peut tenir compte de ces effets en modifiant de façon appro-15 priée la proportion de Al pour compenser les effets des additions sur la composition eutectique, par exemple des alliages 2 et 11. Quand les alliages ci-dessus doivent être utilisés dans des opérations ultérieures de production de tôles, l'intervalle des températures de formage utiles est compris entre 20 200°C et le point de fusion.. Toutefois, étant donné que le formage est plus lent à des températures inférieures et étant donné que la stabilité de structure est altérée à des températures supérieures, l'intervalle de températures de formage préféré est compris entre 275 et 325°C. On comprendra que l'opération sup-25 plémentaire de formage ultérieur de l'alliage, superplastique constitue également, avec les masses conformées ainsi obtenues, une caractéristique de l'invention. Quand les alliages sont mis en forme de cette façon au-dessus de 275°C, il semble avantageux, par rapport aux al-30 liages eutectiques connus, que lors d'un refroidissement à l'air ou au four depuis une température supérieure à 275°C, la phase riche en aluminium qui est présente se transforme en une structure Zn/Al lamellaire et que les alliages deviennent beaucoup plus résistants au fluage, comme on le voit sur le tableau 2 ci-35 dessous. .D'autres propriétés telles que la résistance mécanique, la dureté et la ductilité à l'état plié peuvent être améliorées également mais ces propriétés dépendent dans une certaine mesure de la composition et du traitement antérieur. 72 12348 7 TABLEAU 2 2132786 10 15 20 25 30 Alliage Propriétés R (1) Dureté (kg/cm2 (2) Contrain-.tes de fluage (3) Taux de fluage min. (4) A B A B A B 3 1498 - 38 - 9,8xlO-1 - 4 1792 - 38 - - 5,7xlO_1 lxlO'2 5 1624. 2152,5 39 63 87,5 4 xlO"1 l,3xl0"3 6 3766 3510,5 97 110 - 2,7x10""^ 1,9x10"^ 9 3318 3017 89 86 45,50 7,3xl0"3 3,3x10"^ 10 3699,5 3598 97 110 - 6. xlO"3 1, 4x10 11 2551,5 3608,5 74 - 63 2,6xl0"2 . 1,lxlO"3 12 1799 2341,5 48 62 - 1,4x10"1 2 x 10~2 13 3895,.5 - 93 104 94,50 1,6x10~3 1 x .10'/* 14 2492 3080 55 95 112 2,5xl0"2 - 35 40 (1) Parallèlement au sens de laminage à 23°C, 0,1 min." (kg/om2) (2) Charge de 5 kg pendant 20 secondes (dureté Vickers mesurée au pénétrateur pyramidal). (3) Parallèlement au sens de laminage à 300°C, 0,2 min.-1 (kg/cm2) (4) Parallèlement au sens de laminage à 23°C et 350 kg/em2 ($/h). A. Brut de laminage. B. Après traitement deforming simulé, c'est-à-dire 30 minutes à 300°C et refroidissement à l'air. On va encore décrire l'invention en se référant à- l'exemple suivant. Un alliage à base de zinc ayant pour composition 5,5# Al, 0,57$ Cu, 0,009$ Fe, 0,003$ Pb et 0,001$ Cd, le complément étant du zinc, a été moulé sur une machine à mouler en continu du type Hazelett pour former une bande de 12,7 mm d'épaisseur et de 101,6 cm de largeur, le poids total de la bande étant de 5.080 kg. On a laminé cette bande à 240°C (laminage à chaud) pour réduire son épaisseur de 44$, c'est-à-dire jusqu'à 7,11 mm. Des échantillons de la tôle laminée à chaud ont 72 12348 8 2132786 été laminés comme suit : (1) de 7,11 mm à 100°C jusqu'à 1,828 mm (74$ de réduction), (2) de 7,11 mm à 100°C jusqu'à 1,295 mm (82$ de réduction), (3) de 7,11 mm à 100°C jusqu'à 0,711 mm (90$ de réduction). On a exécutécfes essais de formage sous vide par le procédé décrit ci-dessus, à 300°C, et on a obtenu les résultats suivants : (1) 1,828 mm 255 secondes (2) 1,295 mm 95 secondes (3) 0,711 mm 30 secondes . 72 12348 9 2132786 REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'une tôle d'alliage superplastique de zinc et d'aluminium par laminage d'un corps fait d'un alliage composé en prédominance de zinc et d'alumi-5 nium et ayant une structure zinc/aluminium eutectique, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'on lamine le corps d'alliage à une température comprise entre 20 et 200°C pour produire une tôle dont l'épaisseur est réduite d'environ 50 à 99$ par rapport à l'épaisseur initiale. 10 2. Procédé selon la revendication 1, caractéri sé par le fait que l'épaisseur de l'alliage est réduite d'au moins 70$, de préférence de 75 à 95$, par rapport à l'épaisseur initiale. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendi-15 cations 1 et 2, caractérisé par le fait que le laminage est exécuté à 100°C. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'épaisseur initiale du corps est comprise entre 12,7 et 152,4 mm. 20 5- Procédé selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on lamine tout d'abord l'alliage au cours d'un stade préliminaire, à une température comprise entre 200 et 350°C, pour atteindre une réduction compri se entre 40 et 99$ et de préférence entre 40 et 60$, sur la base 25 de l'épaisseur initiale. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 5, caractérisé par le fait que l'alliage précité contient, en poids, jusqu'à 5$ et de préférence jusqu'à 1$ de cuivre, comme élément d'alliage supplémentaire. 30 7- Procédé selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 6, caractérisé par le fait que l'alliage précité contient, en poids, jusqu'à 1$ et de préférence jusqu'à 0,25$ de magnésium comme élément d'alliage supplémentaire. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica 35 tions 1 à 7, caractérisé par le fait que la tôle d'alliage est ultérieurement amenée à une forme désirée à une température de 275 à 325°C.