Brevet FR2507210A1 — publié le 19821210

Cette invention concerne un procédé de protection d'une tôle d'aluminium ayant des propriétés améliorées, particulièrement utilisable comme matière première pour boîte métallique et, plus particulièrement, un procédé de fabrication d'une tôle d'aluminium de résistance mécanique accrue sans sacrifice des propriétés de ductilité. Tel qu'utilisé ici, le terme "aluminium" désigne les qualités industrielles du métal lui-même comme le métal 1100 (désignation de l'Aluminwm Association) ainsi que les alliages base d'aluminium contenant jusqu'à 90 % d'aluminium en poids. Les alliages qui sont particulièrement sensibles au traitement selon l'invention décrite ci-après comprennent les alliages 1100, 3003, 3004 et 3009 et d'autres alliages contenant du manganèse, avec ou sans magnésium. Les boîtes en aluminium pour boisson munies d'extrémités à ouverture facile ont largement été acceptées par les consommateurs. En vue de préserver les ressources naturelles, des efforts sont faits à l'heure actuelle à l'échelle des pays et du monde pour recycler ces boites. Dans la fabrication de ces boîtes, on utilise des alliages différents pour le corps de la boîte et sesextrémités. Ainsi, l'alliage 3004 qui est utilisé pour le corps de la boîte n'est pas approprié à la fabrication des extrémités qui nécessitent une ductilité élevée pour les opérations de formage. La tôle d'aluminium utilisée à partir de laquelle on forme l'extrémité doit être de résistance mécanique élevée pour que l'extrémité puisse contenir de façon sûre le contenu sous pression des boîtes. L'alliage 3004 qui a une faible teneur en magnésium (1 %) n'a pas la limite élastique élevée nécessaire en même temps qu'une ductilité élevée pour être utilisable dans la formation des extrémités de boîte. L'alliage 5182 qui a une teneur en magnésium relativement élevée (4-5 %) a la ductilité et la résistance nécessaires pour être utilisé pour la préparation d'extrémités de boite.Les compositions types de ces alliages sont données dans le tableau ci-dessous TABLEAU Teneur en métal (t en poids). Alliage Fe Si Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al 3034 0,43 0,20 0,15 1,1 1,02 0,03 C,04 0,01 Compl. 5182 0,35 0,20 0,15 0,4 4,5 0,10 0,25 0,10 Compl. L'utilisation dans la fabrication de boîtes à ouvertures faciles d'alliages d'aluminium différents pour le corps et les extrémités, diminue de façon importante les possibilités de recyclage de ces boîtes, car le produit refondu est un alliage de composition incertaine. II serait très avantageux que la résistance à la traction de l t alliage 3004 puisse être élevée pour égaler les valeurs obtenues pour l'alliage 5182, de sorte que l'alliage 3004 pourrait être utilisé comme matière première pour le corps des boites ainsi que comme matière première pour leurs extrémités. La tôle d'aluminium utilisée comme matière première pour corps de boîte, par exemple de l'alliage 3004 à la trempe H19, est obtenue à partir d'un lingot qui est soumis aux opérations de laminage suivantes pour obtenir une matière première pour corps de boîte ayant une épaisseur d'environ 0,33 mm : coulée, homogénéisation, laminage à chaud, recuit et laminage à froid, comme décrit par exemple dans le brevet U.S. N" 3 802 931. Dans la fabrication d'une tôle d'aluminium par coulée à refroidissement direct, on obtient un lingot ayant une épaisseur d'environ 40 à 60 cm. Le lingot est-soumis à l'étape d'homogénéisation grâce à quoi le lingot est soumis à une température de 5100-6O70C pendant 4 à -16 heures. Immédiatement après l'étape d'homogénéisation, le lingot est soumis à un laminage à chaud où il passe à travers une série de cylindres de dégrossissage maintenus à une température de 343"-510"C, ce qui réduit l'épaisseur du lingot à un calibre de relaminage d'environ 3,3 mm. Par la suite, la matière première de relaminage est soumise à une étape de recuit où elle est chauffée à 370-4800C environ pendant 0,54 heures pour effectuer la recristallisation de la structure métallique. La matière première de relaminage recuite est ensuite soumise à une étape finale d'écrouissage où elle est laminée à froid (laminage à la température ambiante) jusqu'à un calibre final d'environ 0,33 mm dans un laminoir à cinq cages, soit environ 90 % de son épaisseur initiale pour obtenir une trempe ou durcissement pratiquement complet (H19). Par laminage à la trempe H19, la limite élastique de la tôle d'aluminium écrouie est augmentée d'environ 68 950 kN/m2 à environ 275 800 à 310 270 kN/m2, mais le pourcentage d'allongement (mesure de la ductilité pour la fabrication de boîtes) diminue d'environ 25 % à environ 2 %. Divers essais pour augmenter la limite élastique de la tôle d'aluminium écrouie ont consisté à modifier les opérations de laminage mais de telles solutions ont obtenu une augmentation de la limite élastique aux dépens de l'allongement à la traction. Toute réduction de l'allongement à traction en-dessous de 1 % rend la tôle d'aluminium inappropriée pour les opérations de préparation de boîtes en deux morceaux. Il serait très avantageux d'augmenter la limite élastique des alliages d'aluminium à faible teneur en magnésium écrouis, comme l'alliage 3004-H19, à la valeur que possèdent les alliages d'aluminium riches en magnésium, comme l'alliage 5182, sans nuire aux autres propriétés physiques des métaux, comme l'allongement.-L'augmentation de la limite élastique de l'alliage 300A-H19 à la valeur de celle de l'alliage 5182 permettait l'utilisation de l'alliage pauvre en magnésium comme matière première d'extrémités de boîte, avec l'avantage résultant que les extrémités de boite d'aluminium auraient pratiquement la même composition que le corps et seraient tout à fait appropriées comme produit recyclable Le brevet U.S. NO 3 787 248 décrit un procédé de préparation d'alliages à base d'aluminium de résistance mécanique élevée et d'aptitude au formage améliorée, pouvant être utilisés comme matière première pour extrémités de boite et ayant des compositions d'alliage similaires au matériau constituant le corps des boîtes en aluminium. Le procédé comprend une étape de traitement thermique après chaque réduction de 10-20 z par laminage, ce qui fait que le processus de laminage est interrompu par un grand nombre d'étapes de traitement thermique, mode opératoire qui est difficile à mettre en oeuvre dans la pratique industrielle. La présente invention remplace les multiples étapes de traitement thermique par une seule étape d'écrouissage Laminage à une température d'environ 66-2320C] et donne non seulement une simplification du procédé mais une plus grande amélioration de la résistance mécanique. Selon la présente invention, la limite élastique à la traction d'alliages d'aluminium écrouis, et en particulier d'alliages d'aluminium écrouis à faible teneur en magnésium comme l'alliage 3004, peut être substantiellement accrue sans nuire aux autres propriétés physiques de l'alliage, par écrouissage de l'aluminium à une température d'environ 66 à 2320C. Par la mise en oeuvre de la présente invention, la limite élastique des alliages d'aluminium utilisés de façon classique pour la fabrication de corps de botte, par exemple l'alliage 3004, peut être élevée jusqu'à une. valeur équivalente à celle des alliages d'aluminium de résistance supérieure, par exemple l'alliage 5182, l'augmentation de la limite élastique étant obtenue sans diminution substantielle du pourcentage d'allongement. Comme il sera mieux décrit ciaprès, par écrouissage de l'alliage 3004 à la trempe H19, à une température comprise entre 660 et 204"C, la limite élastique de la tôle d'alliage 3004-H19 résultante est élevée de 310 265 à 448 160 kN/m2, limite élastique qui est comparable à la limite élastique de 400 000 kN/m2 de l'alliage 5182 à la trempe H19. La limite élastique améliorée donnée à la tôle d'aluminium pauvre en magnésium selon la présente invention permet d'utiliser la tôle pour la fabrication d'extrémités de boîte. Ainsi, en mettant en oeuvre la présente invention, il est possible de fabriquer des boîtes en aluminium pour boisson dans lesquelles les parties corps et extrémités sont composées du même alliage, par exemple l'alliage 3004. La composition unique des composants de la boIte perreta-Jx boîtes en aluminium pour boisson de constituer un produit de récupération très indiqué et améliore ainsi le recyclage de ce produit de conditionnement. Comme on le verra également ci-après, le procédé de la présente invention n'affecte pas matérieliement la ductilité de l'alliage écroui, ce qui permet de transformer l'alliage d'aluminium en extrémités de boîte en utilisant l'équipement et les procédés de fabrication classiques. Les alliages d'aluminium écrouis par le procédé de la présente invention peuvent être coulés d'une quelconque façon. Le procédé particulier de coulée n'est pas déterminant et l'on peut utiliser un quelconque procédé industriel de façon appropriée, comme la coulée à refroidissement direct ou la coulée en bandes continues. Indépendamment du procédé de coulée1 on a déterminé que l'effet de l'étape d'écrouissage de la présente invention est amélioré si l'alliage est traité thermiquement avant écrouissage pour que toutes les impuretés de l'alliage se trouvent en solution solide et que ces impuretés restent à l'état sursaturé dans l'alliage. Ceci peut être effectué en chauffant l'alliage extra-doux à une température de 4270- 5930C puis en trempant la bande chauffée jusqu'à la température ambiante par immersion rapide dans un fluide approprié, par exemple de l'air froid, de l'eau, pour conserver les impuretés dissoutes à l'état sursature. Si le bon type d'impuretés (Mn, Fe, Ti, Cr, V) et si les bonnes quantités d'impuretés sont présents dans l'alliage et que la sursaturation s'est développée rapidement dans la bande dès qu'elle sort du laminoir chaud, l'étape de traitement thermique nécessaire à-l'obtention de l'état sursaturé que l'on vient de décrire peut être éliminée. Pour les besoins de la présente demande, on considère qu'un alliage d'aluminium est à l'état sursaturé quand la quantité de Mn dans l'alliage d'aluminium est au moins 0,4 % et que les quantités des métaux choisis dans le groupe de Fe, Ti, Cr et V sont au moins 0,05 %. L'étape d'écrouissage du procédé de la présente invention est effectuée quand l'alliage d'aluminium a préalablement été laminé ou coulé jusqu'à une épaisseur d'environ 2,5-19 mm. Dans le procédé à refroidissement direct, l'alliage coulé est laminé à chaud et est réduit en épaisseur d'environ 40,6-62 cm à environ 2,5 mm avant qu'il ne soit écroui. Dans le procédé de coulée continue, la bande est coulée directement en une bande d'une épaisseur de 6,4 à 19 rr qui est ensuite homogénéisée avant écrouissage. La température particulière à laquelle l'alliage d'aluminium est écroui et laminé jusqu'à une épaisseur d'environ 0,33 mm, épaisseur nécessaire pour la matière première pour bote metallique, variera selon l'alliage particulier que l'on écrouit. Pour l'alliage 3004, on obtient les résultats optimaux quand la bande d'aluminium est écrouie à environ 1350C. En général, la température à laquelle on effectue l'écrouissage selon la présente invention, variera entre environ 660C et environ 2040C. Le choix de la température d'écrouissage variera également avec la vitesse de laminage à laquelle on effectue l'écrouissage. Les vitesses de laminage pour écrouissage dans l'industrie varient de 300 à 1500 m/mn. Lorsque l'on choisit la température à laquelle on effectue l'écrouissage, cette température variera avec la vitesse de laminage, c'est-à-dire qu'aux niveaux supérieurs de l'intervalle de vitesse de laminage, on utilise des températures d'environ 120 à 2050C et aux vitesses inférieures, on utilise des températures de l'ordre de 95 à 175"C. Les alliages d'aluminium que l'on peut écrouir selon le procédé de la présente invention ont les intervalles de composition suivants Métal Intervalle de composition Mg 0 - 6 % Mn 3 % Cu 0 - 5 8 Fe 0 - 1 % Si 0-2% Ti 0 - 1 % Zr 0-1% Cr 0-1% V 0-1% Al Complément Les exemples suivants illustrent la mise en oeuvre de la présente invention. EXEMPLE I On soumet une bande laminée à chaud (bande chaude) à une épaisseur de 2,2 mm d'alliage 3004 à une étape d'écrouissage selon la présente invention. Lorsqu'elle sort du laminoir à aluminium, la bande est extra-douce, c'est-à-dire de trempe zéro, et a une limite élastique de 75843 kN/m2 et un allongement de 25 %. On chauffe la bande à 4680 + 60C et on la maintient à 5 minutes pour dissoudre les impuretés (Mn, Fe, Ti, Cr) dans l'alliage (Etape A). Après avoir été chauffée de cette manière, la bande chauffée est rapidement trempée dansde l'eau (Etape B) pour emprisonner les impuretés à l'état sursaturé. La bande trempée est chauffée et maintenue à 1350C pendant 5 minutes pour amener la bande à la température à laquelle elle est à écrouir (Etape C). Pour écrouir la bande selon la pratique de la présente invention, on fait passer successivement la bande à 1350C et à une vitesse de 2,13 m/mn entre deux rouleaux de réduction chauffés -à 1350C jusqu'à ce que la bande soit réduite de 90 % de l'épaisseur (trempe H19) jusqu'à 0,22 mm. Pour effectuer cette réduction d'épaisseur, il faut cinq passages entre les rouleaux à une vitesse de 2,13 m par minute (Etape D). Après chaque passage entre les rouleaux, on chauffe la bande à 1350C et on la maintient à cette température pendant 30 secondes pour réétablir la température et pour s'assurer que la bande est à 1350C au moment où elle est introduite entre les rouleaux (Etape E). La température dans les Etapes C, D et E est régulée à + 30C. On détermine la limite élastique et le pourcentage d'allongement de l'alliage écroui en effectuant des essais de traction sur des longueurs calibrées de 5,08 cm classiques sur des échantillons de la bande d'aluminium écrouie. La résistance de l'alliage, telle que représentée par la limite élastique et la ductilité telle que représentée par le pourcentage d'allongement sont des propriétés de l'alliage essentielles à la fabrication d'extrémités de boîte. On détermine que la limite élastique de la bande écrouie est de 448 160 kN/m2 et l'allongement est de 2 %. La même bande d'aluminium traitée selon les étapes A et B, puis laminée à froid pour obtenir l'alliage 3004 classique dans la trempe H19, présente une limite élastique de 310 265 kN/m2 et un allongement de 2 %. Le matériau 5182 à la trempe H19 couramment utilisé pour extrémités de botte a une limite élastique de 400 000 kN/m2 et un allongement de 3 %. L'historique de traitement du matériau en bandes chaudes utilisé dans l'Exemple I est le suivant (1) homogénéisé à 5100-5660C pendant 12 heures (2) refroidi a I'air jusqu'à une température de laminage de 427 -454 C (3) laminé à chaud d'une épaisseur de 59,7 cm jusqu'à une épaisseur de 4,8 mm. La micro-analyse de la bande chaude révèle la répartition du fer et du manganèse entre la matrice d'aluminium et des complexes intermétalliques. La matrice d'aluminium sursaturée contient en solution 0,58 % de Mn et 0,09 % de Fe, le reste de Mn et Fe étant présent sous forme de complexes intermétalliques (composé métallique). Le titane, le chrome et le vanadium ne sont pas détectables. A titre de comparaison, on soumet un alliage de même composition (3004) à un mode opératoire de traitement différent comme suit (1) homogénéise à 5770604Cc pendant 10 fores (2) refroidi au four à raison de 560C/h jusqu'aux températures de laminage de 4270C (3) lamine à chaud de 59,7 cm à 2,8 Fm. La micro-analyse de la bande chaude révèle que la matrice d'aluminium contient 0,33 % de M-n et du fer indétectable (précipité et non sursaturé) ; mi, Cr et X sont également indétectables, et le reste de Yn et Fe est présent -dans des complexes intermétalliques. Quand on le soumet aux étapes de traitement de l'Exemple I, c'est-à- ire les Etapes A, B, C, D et E, l'alliage ne présente aucune amélioration de la limite élastique quand il est soumis à un écrouissage entre 121 -149 C à des vitesses de laminage comprises entre 2,13 et 75 m/mn.La manipulation des Etapes A et B n'apporte également pas d'amélioration de la limite élastique après écrouissage, ce qui démontre le besoin de la présence dans l'alliage de certaines impuretés métalliques sursaturées avant que l'on puisse obtenir une amélioration par écrouissage selon le procédé de la présente invention. EXEMPLE II On répète le mode opératoire de l'Exemple I à l'exception que l'écrouissage (Etape D) est effectué jusqu'à la trempe H18 (réduction par laminage de 80 %) à des températures variables. Les résultats sont résumés dans le tableau suivant TABLEAU Température Limite élastique d'écrouissage à la trempe H18 OC kN/m2 240 289 582 66 324 056 930 344 740 1350 365 424 177 351 635 1770 324 056 204 324 056 2320 262 002 2600 248 213 Comme on le voit facilement d'après le tableau, la température optimale d'écrouissage est 135 CC. A des températures inférieures ou supérieures, la limite élastique après écrouissage est inférieure. EXEMPLE III On répète le mode opératoire de l'Exer-ple I à l'exception que l'on n'utilise pas les Etapes A, B, C et E dans le procédé d'écrouissage, c'est-à-dire que la bande telle que reçue du laminoir est écrouie à la trempe H19 par passages successifs à 2,13 m/mn entre les rouleaux de réduction chauffés à 1350C (Etape D). On détermine que la limite élastique de la bande écrouie est de 419 310 kN/m2 et que l'allongement est de 2 t. EXEMPLE IV On répète le mode opératoire de l'Exemple I à l'exception que l'on n'utilise pas les Etapes A et B dans le procédé d'écrouissage. La limite élastique de la bande écrouie est de 400 690 kN/m2 et l'allongement est de 2 %. REVENDICATIONS 1. Procédé de laminage d'une bande d'aluminium pour préparer une tôle écrouie pour la fabrication de boîtes de conserve ou similaires, caractérisé par l'étape consistant à laminer la bande formée à partir d'aluminium sursaturé pendant l'écrouissage à une température d'environ 66C à 2320C, ce qui permet d'augmenter substantiellement la limite élastique de la tôle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tôle d'aluminium est fabriquée à partir d'un alliage d'aluminium contenant au moins 0,4 % de manganèse. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tôle d'aluminium est fabriquée à partir d'un alliage d'aluminium contenant au moins 0,05 % d'un métal choisi dans le groupe comprenant le fer, le titane, le chrome et le vanadium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce'que 1'aluminium est l'alliage 3004. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la bande est écrouie jusqu'à la trempe H19 (écrouissage de 80-95 %). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bande est chauffée à 1350 + 30C. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bande est chauffée à environ 4270-5930C avant l'écrouissage.