Brevet FR2502183A1 — publié le 19820924

L'invention est relative à un procédé de fabrication de fil machine en aluminium qui comprend des éléments d'alliage précipitables. Ce procédé est surtout applicable à de l'aluminium pour conducteur électrique, bien qu'il ne soit pas limité à ce type d'aluminium, qui comprend, comme éléments d'alliage précipitables, 0,3 à 0,9% de magnésium, 0,25 à 0,75% de silicium et 0 à 0,60% de fer, le reste du métal étant de l'aluminium et des impuretés (c'est-à-dire des éléments présents en une IO quantité inférieure à 0,05%), en pourcentages du poids total. Il est bien connu que le fil machine est un pro- duit de départ pour le tréfilage ou laminage ultérieur dans lequel on réduit la section du fil d'aluminium.Ainsi, le fil machine a un diamètre de 5 à 20 mm, de préférence I5 compris entre 7 et 12 mm, et une résistance à la traction nettement inférieure au produit final tréfilé, par exemple pour de l'aluminium pour conducteur électrique mentionné ci- dessus, une résistance en général inférieure à 250 2 2 Newton/mm, en tout cas inférieure à 300 N/mm. Il est connu qu'après tréfilage ou laminage le fil est sou- mis à un vieillissement au cours duquel se forment des précipités des éléments d'alliage qui étaient restés en solution, et ce vieillissement améliore les caractéristi- ques mécaniques et électriques du fil. Le procédé classique de production de fil machine en aluminium consiste en une première étape de laminage à chaud, dans lequel on forme le fil machine en couronnes, suivie d'une opération discontinue de mise en solution et trempage des couronnes obtenues après lamina- ge à chaud. En effet, après laminage et refroidissement des couronnes, les éléments d'alliage ont précipité, de sorte qu'il n'y en a plus de disponibles pour le vieil- lissement ultérieur. C'est la raison pour laquelle ces éléments sont remis en solution après laminage, et sont maintenus en solution sursaturée par une trempe qui est réalisée immédiatement après. Cette mise en solution est coûteuse en éner- gie, et exige en outre que la fabrication soit conduite en discontinu. C'est ainsi qu'on a proposé que la première étape de laminage à chaud se termine à une température aussi élevée que possible, afin de maintenir un maximum d'éléments d'alliage en solution,et de tremper le fil machine directement en continu à la sortie du laminoir IO jusqu'à une température de trempe, de façon à maintenir ces éléments d'alliage en solution sursaturée. A cette température de trempe, la mobilité des atomes est si faible que la structure métallographi- que reste figée à l'état o elle se trouve (sauf effets lents de vieillissement): les éléments d'alliage mainte- nus en solution sursaturée restent en solution, les pré- cipités ne changent pas, et les dislocations non plus. Pour un alliage donné, la gamme des "températures de trempe" a donc une limite supérieure qui n'est pas une limite maximale stricte. Cette valeur maximale est dé- terminée par une immobilisation suffisante des atomes pour ne pas produire un changement substantiel de la structure métallographique pendant une durée de l'ordre de grandeur d'un procédé continu de traitement de l'alu- minium, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur d'une minute. La valeur maximale acceptable pour chaque type d'alliage est suffisamment connue de l'homme de l'art. Pour de l'aluminium pour conducteur électrique mentionné ci-des- sus, la température maximale de trempe peut être fixée à 260'C, bien que cette limite ne soit pas une limite abso- lue. On a également proposé une première étape de laminage qui se termine à une température aussi élevée que possible afin de maintenir un maximum d'éléments d'alliage en solution, suivi d'une trempe dans laquelle on travail- le le métal, tout en prenant soin que le métal soit tra- vaillé pendant la période o il traverse la gamme des températures situées entre la température maximale de trempe et la température minimale de travail à chaud. En dépit de la trempe, on a observé que les éléments en solution précipitaient pendant cette opération thermo- mécanique. La quantité d'éléments d'alliage restés en solution pour le vieillissement ultérieur était donc IO beaucoup plus petite et ceci paraissait être un inconvé- nient. Mais on avait observé que le fil machine ainsi obtenu était tel que, suivant que la précipitation avait été partielle ou totale, la nécessité de vieillissement après tréfilage ultérieur était éliminée en partie ou I5 totalement. L'inconvénient n'en était donc pas un, et l'on obtenait un fil machine ayant des propriétés qui permettaient de satisfaire plus facilement aux spécifica- tions prescrites pour les caractéristiques mécaniques du fil tréfilé, tout en évitant l'étape coûteuse de mise en solution et en procurant un procédé continu. L'invention a pour but de fournir une alter- native au dernier procédé mentionné ci-dessus, fournis- sant les mêmes avantages, et fournissant ainsi une liber- té additionnelle dans le choix des paramètres du procédé, afin d'obtenir les combinaisons désirées de résistance à la traction, ductilité et, le cas échéant, conductibilité. Le procédé suivant l'invention comprend, comme dans l'avant-dernier procédé mentionné ci-dessus, une opération purement thermique, c'est-à-dire non accom- pagnée d'un travail mécanique, dans lequel une tige dudit aluminium (sortant, par exemple d'un laminoir et partiel- lement refroidie, ou d'une roue de coulée continue, ou sortant d'une presse d'extrusion) est trempée en continu jusqu'à une température de trempe, comme déterminée ci-dessus, de façon à produire une structure restaurée comportant des éléments d'alliage en solution sursaturée. Par "structure restaurée" on entend une structure métal- lographique dans laquelle les grains allongés par écrouis- sage se sont reformés en une structure plus ou moins isotrope sous l'effet de la chaleur, qui est la structure obtenue après laminage à chaud. Yl faut également un minimum d'éléments d'alliage en sursaturation, -par exemple au moirns 30% des éléments précipitâbles à la tefmpérature de mise en solution. La trempe est donc suffisamment rapide et réalisée à partir d'une température suffisamment élevée pour atteindre ce but. Le procédé suivant l'invention est toutefois caractérisé par une deuxième étape, thermo-mécanique située en aval de la première, dans une même opération continue, dans laquelle la tige est travaillée à tempéra- ture de vieillisement, et par le fait que le fil machine ainsi obtenu est soumis ensuite, avant tout travail ulté- rieur, à un vieillissement. La température de vieilissement est une tem- pérature comprise dans une gamme dont le maximum est situé à la température maximale de trempe, comme déterminée ci- dessus, et le minimum est situé à la température minimale de vieillissement, comme déterminée ci-dessous. La tempé- rature de vieillissement est donc une température à la- quelle les atomes restent figés, excepté les phénomènes de vieillissement qui se produisent en un temps supérieur à ' la durée d'un procédé continu, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur d'une minute. Toutefois lorsque la structure est soumise à un travail à température de vieillissement, on observe que la précipitation des éléments d'alliage pendant ce travail et pendant un vieillissement qui s'en- suit, provoque l'obtention d'une structure métallographi- que qui, après écrouissage, permet d'obtenir une très bonne qualité de fil, et élimine, en partie ou en totalité, 2 5 0 2 1 8 3 suivant qu'il reste encore ou non des éléments en solu- tion sursaturée, la nécessité de vieillissement, après tréfilage. Ce travail à température de vieillissement est de préférence un laminage avec réduction de la section. Pour un aluminium donné, la température mini- male de vieillissement sera déterminée comme indiqué ci- après. On sait qu'un aluminium de composition donnée, à l'état non-écroui, mais comprenant des éléments d'alliage en solution sursaturée obtenu par traitement de mise en IO solution et trempe jusqu'à une température de trempe, lorsqu'il est soumis à un vieillissement, verra d'abord monter sa résistance à la traction pour atteindre un maximum, puis redescendre. Ceci est dû au fait que pen- dant le vieillissement, les éléments d'alliage précipi- I5 tent tandis que les précipités déjà existants s'agglomè- rent. Le premier effet, qui augmente la résistance à la traction, domine au début, tandis que le deuxième effet, qui diminue cette résistance, domine à la fin. La tempé- rature minimale de vieillissement pour un aluminium donné, ayant une quantité donnée d'éléments d'alliage en solution sursaturée, est là température à laquelle cet aluminium à l'état non-écroui, atteint son maximum de résistance à la traction après trois jours.(La structure écrouie attei- gnant plus tôt son maximum par effet d'adoucissement de la structure écrouie). Pour de l'aluminium pour conduc- teur électrique mentionné ci-dessus, cette température minimale est de 130'C environ. Dans le procédé suivant l'invention, il est important que la deuxième étape soit commencée directement après la trempe de la première étape (de façon à éviter tout changement de la structure lorsque le produit inter- médiaire est laissé sans traitement pendant quelque temps), et, par conséquent, que cette seconde étape soit effectuée dans une même opération continue suivant la première. Dans ce but, on préfère effectuer la trempe jusqu'à une tempé- rature de vieillissement, comme déterminée ci-dessus, de sorte que la deuxième étape puisse commencer directement sans chauffage intermédiaire. Le vieillissement, qui suit ce travail à tem- pérature de vieillissement, peut se faire directement à la sortie du dispositif opérant ce travail, par exemple par refroidissement libre à l'air ambiant du fil machine, ce qui provoque une précipitation de tout ou partie des IO éléments d'alliage restés en sursaturation. On peut par- ler d'un vieillissement lorsqu'une partie considérable, par exemple la moitié des éléments précipitables après la trempe, précip!te pendant ce vieillissement. On préfère toutefois réaliser une précipitation totale, afin d'éli- I5 miner toute nécessité de vieillissement après tréfilage ou toute altération des propriétés du fil machine après fabrication. Lorsque la température à la sortie du dispositif réalisant le travail à température de vieil- lissement se rapproche de la température minimale de vieillissement, il sera parfois nécessaire de ralentir le refroidissement du fil machine à la sortie du disposi- tif (par rapport au refroidissement libre à l'air ambiant), en entourant le fil par des éléments thermiquement iso- lants, par exemple en formant des couronnes de fil qui sont enfermées dans des récipients clos qui évitent le refroidissement par convection d'air. On peut également maintenir le fil pendant un certain temps à la températu- re de sortie par chauffage, ou même augmenter la tempéra- ture de sortie, pour autant qu'on effectue un vieillisse- ment ultérieur. La tige continue utilisée au début de la pre- mière étape du procédé peut être une tige sortant d'une opération de conformation à chaud, tel qu'une presse d'extrusion, une roue de coulée. Cette conformation à 2 5 0 2 1 8 3 chaud comportera de préférence une coulée continue déli- vrant une barre d'aluminium envoyée à l'entrée d'un laminoir, et un laminage à chaud par lequel la section de ladite barre est réduite pour former ladite tigq. Par laminage "à chaud", on entend un laminage avec "restau- ration" pendant l'opération ou immédiatement après, avant la trempe ultérieure. Pour de l'aluminium pour conducteur électrique mentionné ci-dessus, cela signifie un laminage dont la température de sortie est supérieure IO à 3500C. La température d'entrée dans le laminoir sera de préférence une température supérieure à la température de mise en solution, c'est-à-dire pour de l'aluminium pour conducteur électrique, une température supérieure à 4700C. I5 L'invention est particulièrement applicable à de l'aluminium pour conducteur électrique dont la com- position est donnée ci-dessus. Dans un mode préféré, on utilisera un procédé continu, comprenant, successivement, de l'amont vers l'aval: une coulée continue, l'introduc- tion de la barre sortant de la coulée continue dans un premier laminoir et à une température supérieure à 470'C, un laminage continu à une température supérieure à 350'C pour former une tige continue, une trempe en continu de ladite tige à la sortie du laminoir, l'introduction de ladite tige sortant de la trempe dans un deuxième laminoir et à une température supérieure à 1300C, un laminage continu à une température supérieure à 1300C, et un vieillissement par refroidissement libre à l'air ambiant. La température d'entrée dans le deuxième laminoir doit , être réglée de façon à obtenir une température à la sortie du laminoir de 155 à 1850C, de préférence 1750C. Par exemple, on a utilisé un alliage Al-Mg-Si du type 6201 ayant la composition suivante: Mg: 0,60%; Si: 0,55%; Fe: 0,18%; Zn: 0,006%; Cu: 0, 004%; Mn: 0,015%; Ti: 0,001%; V: 0,004%. On peut toutefois utiliser un aluminium plus riche ou plus pauvre en éléments d'alliage, en fonction du colt que l'on veut accepter pour une aug- mentation ou diminution de la qualité, due à la composi- tion, sans pour cela affecter les possibilités d'obtenir une meilleure qualité de l'alliage, due au procédé suivant l'invention. Cet alliage, après sortie d'une roue de cou- lée continue sous forme d'une barre ayant une section de IO 2000 mm2 environ, est entré à une température de 490'C dans un premier laminoir continu à 9 pas, d'o il sort sous forme d'une tige ronde d'un diamètre de 15 mm et à une température de 430'C. A cette température la plupart des éléments d'alliage sont encore en solution, puisqu'à I5 l'état d'équilibre seulement 20% environ du magnésium et du silicium précipitables sous forme de Mg2Si se trou- vent alors sous forme précipitée. Cette tige,qui sort à une vitesse de 2,4 m/sec environ du premier laminoir, est alors dirigée vers l'entrée d'un deuxième laminoir continu, dont l'entrée se trouve à une distance de 2.mètres environ de la sortie de la première. Entre les deux, la tige passe dans un tube de 30 mm de diamètre-et d'un mètre de long, alimenté à contre-courant par une émulsion de refroidissement, dont le débit est réglé de sorte que la tige en sorte à une température de 220'C. D'autres types de trempe peuvent également être utilisés, par exemple par des jets d'émul- sion dirigés sur la barre, pour autant que la température puisse être réglée à la température désirée. Le deuxième laminoir continu comporte quatre pas à réduction égale, réduisant la tige jusqu'à un dia- mètre de 9,5 mm qui est celui du fil machine, le fil sortant du laminoir à une température de 1750C et à une vitesse de 6 m par seconde environ. Ce fil machine est ensuite enroulé sur une bobine et placé dans un récipient en briques réfractaires. Il est important que le récipient soit fermé de façon à éviter le refroidissement par con- vection de l'air libre entourant la bobine. Dans ce cas précis, le refroidissement était de 2 C par heure. On comparera les propriétés obtenues avec un fil machine de la même composition, obtenue par une méthode classique, c'est-à-dire: coulée continue suivie d'un laminage continu à chaud, enroulement sur des bobines se refroidissant librement à l'air ambiant, puis mise en solution en maintenant les bobines pendant 8 heures dans un four à 550 C, ensuite tremper des bobines jusqu'à une température de 45 C environ. Ces deux types de fil machine d'un diamètre de 9,5 mm l'un suivant l'invention, l'autre suivant la méthode classique sont alors tréfilés, tous les deux jusqu'à 3,60 mm et jusqu'à 3,15 mm, le fil tréfilé provenant de la méthode classique est ensuite encore soumis à un vieillissement pendant 5 heures à 160 C. Les résultats comparatifs sont les suivants: Suivant l'invention Méthode classique Fil machine 304 7,75 31,10 196 21 Après tréfilage 3,60 mm 348 5 31,30 285 4,5 34,9 Après tréfilage 3,60 mm + vieil- lisserent - - - 343 7,5 32,13 Après tréfilage 3,15 mm 362 4,5 31,44 290 4 34,70 Après tréfilage 3,15 mm +vieil- lissement - - 350 7 31,95 R = rGsistance la traction en Ncuton/r.f2 -= ductilité (%) a = résistivité (n mm2/m) J- R [ î | P f| R f 7 I r L'invention n'est limitée ni aux modes spécifiques des opérations donnés dans l'exemple, ni à la composition de l'aluminium. On peut également, sans sortir du cadre de la présente invention, utiliser comme aluminium comportant des éléments d'alliage précipitables les alliages suivants: AlCu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu et Al-Mg-Si. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de fabrication de fil de machine en alu- minium comportant des éléments d'alliage précipitables,ce procédé comprenant une première étape purement thermique dans laquelle une tige continue dudit aluminium est trempée en continu jusqu'à une température de trempe de façon à produire une structure restaurée comportant des éléments d'alliage en solution sursaturée, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième étape, thermo-mécanique, située en aval de la première étape, dans une méme opération continue dans laquelle la tige est travaillée à température de vieillissement, et en ce que le fil machine ainsi obtenu est soumis ensuite, avant tout travail ultérieur, à un veillis- sement. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le vieillissement s'effectue pendant le refroidis- sement libre à l'air ambiant du fil machine immédiatement après le travail à température de vieillissement. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le vieillissement s'effectue pendant un refroidis- sement ralenti du fil machine, immédiatement après le travail à température de vieillissement. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le vieillissement s'effectue en maintenant, par chauffage, le fil machine à une température de vieillissement immédiatement après le travail à température de vieillis- sement. 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que le travail à température de veillissement est un laminage avec réduction de la section. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tige continue utilisée au début de la première étape est une tige sortant d'une opération de conformation à chaud. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'opération de conformation à chaud comporte une coulée continue délivrant une barre d'aluminium dirigée vers l'entrée d'un laminoir, et un laminage à chaud par lequel la section de la barre est réduite pour former la tige. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la température d'entrée de la barre dans le laminoir est une température supérieure à la température de mise en solution. 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aluminium utilisé est un alliage AlCu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Zn-Cu et Al-Mg-Si. 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que dans la première étape, la tige est trempée jusqu'à une température de vieillissement. 11. Procédé suivant l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'aluminium comprend 0,3 à 0,9% de magnésium, 0,25 à 0,75% de silicium et 0 à 0,60% de fer, le reste étant de l'aluminium et des impuretés. 12. Procédé suivant la revendication 11, caracté- risé en ce que dans la deuxième étape, la tige est travail- lée à une température allant de 1300C à 2600C. 13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la tige est travaillée par laminage continu, le fil machine sortant à une température allant de 155 à 1850C, et étant enroulé en une couronne, cette couronne étant ensuite refroidie dans un récipient clos. 14. Procédé suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la tige continue utilisée au début de la première étape est une tige sortant d'un laminoir continu o l'alu- minium est travaillé à une température allant d'une tempé- rature supérieure à 470'C à l'entrée du laminoir jusqu'à une température supérieure à 350'C à la sortie du laminoir.