Brevet FR2505877A1 — publié le 19821119

METHODE POUR AMELIORER LA FORMABILITE DES ALLIA'ES DU TYPE ALUMINIUM-MAGNESIUM-SILICIUM ET NOUVEAUX ALLI Ag ES DU TYPE ALUMINI UbMAGNESIUM-SILICIUM Cette invention concerne les méthodes d'amélioration de la formabili- té, et particulièrement de la filabilité et de l'emboutissabilité des alliages du type Al-Mig-Si Elle concerne en outre de nouveaux allia- ges Al-Mg-Si formables, contenant des teneurs plus élevées en éléments qui ont été considérés jusqu'ici comme des impuretés, tels que le fer, et à un degré moindre, le cuivre et le manganèse. Les méthodes et alliages de cette invention mettent en jeu l'utilisa- tion du bore. Des changements récents dans les conditions économiques de l'usage de l'énergie ont rendu beaucoup plus souhaitable le recyclage des dé- chets en aluminium, car la production d'aluminium à partir de déchets consomme beaucoup moins d'énergie que la production à partir du mine- rai brut En dépit de l'attrait économique du recyclage des déchets, les essais d'utilisation de proportions importantes de déchets dans la production des alliages de filage du type AI-Mg-Si, ont été gênés par une chute significative, et inacceptable, de la filabilité de tels alliages, lorsque le niveau des impuretés (y compris le fer, le cuivre et le manganèse) augmente Comme il est forcé que les déchets contiennent plus d'impuretés que le métal vierge, une manière classi- que d'éviter le manque de filabilité a été d'utiliser une proportion plus faible de déchets dans la coulée pour faire des billettes de fi- lage, et une proportion plus élevée de métal vierge, en allant même jusqu'à l'élimination totale des déchets Cette solution classique empêche la mise en oeuvre des avantages économiques et d'économie d'énergie des déchets Une autre solution conventionnelle est de res- treindre les déchets utilisés pour la coulée à ceux ayant essentiel- lement la même composition que l'alliage à obtenir dans la billette. Cette solution conventionnelle est moins que satisfaisante, car elle limite le choix des déchets, impose le tri des déchets, et ne pré- vient pas toujours les difficultés de filage. Les problèmes de formabilité ne concernent pas uniquement les -2- alliages composés partiellement ou entièrement à partir de déchets. Par exemple, deux alliages de filage courants sont les types 6060 et 6063 (Aluminium Association, Inc Washington D C), dans lesquels les teneurs limites en fer sont respectivement 0,30 % et 0,35 %, et les li- mites en cuivre et en-manganèse sont chacune 0,10 % dans les deux cas. L'expérience a montré cependant que la teneur en fer optimale est tenue en-dessous de 0,25 %, c'est-à-dire environ 1/5 à 1/4 en-dessous des limites autorisées dans les spécifications, si des difficultés de filage doivent être évitées La présence d'une limitation d'impu- reté informelle telle que celle-ci a des inconvénients et est coûteu- se, à la fois pour les approvisionnements et pour les travaux de transformation. Dans le formage par filage, la nature des problèmes qu'on peut rat- tacher au niveau d'impuretés concerne l'état de surface, ou la néces- sité de réduire la vitesse dtextrusion pour sauvegarder l'état de surface Les détériorations de l'état de surface semblent résulter de l'accumulation de métal ou d'oxyde métallique sur les surfaces de tra- vail de la filière, accumulation qui ralentit le filage et rend la surface du profilé rugueuse Dans les opérations d'emboutissage et d'étirage, telles qu'elles sont mises en jeu dans la fabrication des boîtes, un problème de formabilité souvent rencontré est la déchirure. Le bore a été utilisé dans les alliages d'aluminium dans le passé. Le brevet US 1 916 087 de Titus, divulgue des alliages à teneur en bore allant de 0,05 à 2,0 %, c'est-à-dire 500 à 20 000 ppm, beaucoup plus qu'il n'est employé dans la présente invention, comme il sera mis en évidence dans la discussion qui suit. Le but qu'avait Titus en employant le bore était d'augmenter la dure- té, la conductivité et la résistance à la corrosion. Les brevets américains de Bonsack 1 920 963 et 1 921 998 enseignent un procédé non coûteux et simple ou méthode pour traiter l'alumi- nium et les alliages d'aluminium pour y introduire du bore L'objec- tif d'un tel traitement était d'affiner le grain, avec une procédure jusqu'à présent compliquée, difficile et coûteuse Le grain fin ré- sultant de la méthode de traitement de Bonsack ou de toute autre -.3-. méthode entraîne des propriétés améliorées pour la coulée, le forgea- ge, le laminage, l'étirage, le filage, le soudage etc En outre, un grain fin entraîne des propriétés physiques et mécaniques améliorées et réduit l'intolérance aux impuretés La présente invention, comme il sera dégagé dans la discussion qui suit, enseigne des alliages incorporant et nécessitant du bore à des concentrations supérieures à celles nécessaires pour l'affinage du grain, indénendamment des métho- des ou procédés utilisés pour introduire le bore dans la coulée. Bonsack est préoccupé de la composition de l'alliage seulement, en ce qu'elle se rapporteaux éléments alcalins et alcalino-terreux né- cessaires pour l'accélération effective des réactions de ion traitement La présente invention ne met ras en jeu les éléments de la composition pour ce but. Le brevet US 3 676 111 de Weiser enseigne l'utilisation du bore en association avec le titane comme affineur de grain Il peut être no- té que l'utilisation du bore pour l'affinage du grain implique la plupart du temps son utilisation en association avec le titane. Le brevet US 3 198 625 de Stroup apprend l'utilisation du bore pour former des précipités d'aluminium contenant du bore pour l'extraction des impuretés des nuances extrêmement pures d'aluminium. A l'autre extrémité du spectre, le brevet US 3 262 762 de Bechtold enseigne l'utilisation-de quantités importantes de bore en associa- tion avec l'aluminium pour former des pièces frittées à haute tempé- rature. Selon l'invention, on a trouvé des méthodes pour atténuer les diffi- cultés de formage des alliages d'aluminium du type Al-Mg-Si grâce à l'addition de bore au bain de coulée Dans le cas des alliages de fi- lage des types 6060 et 6063 ou de types voisins, le métal fondu est coulé en une billette pour filage Dans le cas d'une ébauche pour boîtes, tels qu'avec l'alliage type 3004, le métal fondu est coulé en un plateau qui est laminé en bande, et la bande est soumise aux opérations d'emboutissage et d'étirage pour l'obtention de boîtes. -4- Un autre aspect de l'invention concerne la production d'alliages de filage du type Al-Mg-Si à partir de déchets par l'incorporation de bore Les déchets peuvent constituer une partie (de préférence plus de 20 %) ou même la totalité de la charge de fonderie Différents tv- pes de déchets peuvent être mélangés pour réaliser la composition de l'alliage qui doit être produit Par exemple, des déchets de tôles d'aluminium anciennes et neuves peuvent être utilisés pour fabriquer des alliages de filage contenant du bore qui ressemblent aux types 6060 et 6063 par la composition et la filabilité, mais qui ont des teneurs plus élevées en impuretés (fer, cuivre, manganèse) que cel- les pouvant être tolérées dans ces types d'alliages. De façon similaire, un aspect additionnel-de l'invention concerne le formage d'alliages ébauches de boîtes produits à partir de déchets de métaux neufs ou de mélanges, par utilisation de bore pour produire des alliages avec despropriétis d'emboutissage et d'étiraee amélio- rées. Les teneurs en impuretés peuvent atteindre les valeurs suivantes (X en poids): 0,05 Mn 4 0,3; 0,1 En accord avec l'aspect "alliage de filage" de l'invention, une nou- velle famille d'alliages est obtenue, chaque alliage ressemble à un alliage classique Al-Mg-Si par sa composition et par ses performan- ces, mais avec des limites relevées pour les impuretés connues comme gênant les performances, particulièrement le fer, et à un degré moin- dre le cuivre et le manganèse Les alliages de filage ainsi fournis comprennent des versions améliorges par Te bore des types 6060, 6061, 6063, 6351 et similaires. Selon les aspects "méthode" et "alliage" de l'invention, le bore est ajouté à l'aluminium en quantités allant de 20 à 150 parties par mil- lion (ppm) en plus des quantités de bore utilisées Pour le contrsle du grain selon la pratique habituelle (en général en association avec le titane) En effet, les alliages riches en impuretés, en parti- culier le fer, et dans une moindre mesure en Cu et en Mn, ne se fi- lent pas bien, même s'ils ont reçu une addition de B + Ti pour l'af- finage du grain selon l'art antérieur Ce n'est que lorsque la te- neur en B est supérieure à celle requise pour l'affinage du grain, dans les alliages avec des niveaux d'impuretés élevés, que les -5- résultats conformes à la présente invention sont obtenus. De préférence, la teneur en bore, ainsi définie est comprise entre 20 et 80 ppm, et éventuellement entre 30 et 50 ppm Au-dessoosde 20 ppm de bore, on observe pratiquement aucune amélioration de la filabilité ou de la:qualité de surface; au-delà de 150 ppm, aucune amélioration complémentaire de la filabilité ou de l'état de surface n'est obser- vée, et les risques d'un accroissement prohibitif de l'usure des fi- lières ou autres outillages augmentent; de plus, la surface des pro- duits devient difficile à polir et la possibilité d'apparition de dé- fauts lors de l'anodisation est accrue. Le mécanisme par lequel l'addition de bore selon l'invention produit ses effets favorables n'est pas entièrement élucidé et la demanderesse ne désire pas être liée par une quelconque théorie ou mécanisme parti- culier à ce sujet Mais il apparaît que les réactions de précipita- tion d'impuretés exposées dans l'art antérieur, en particulier dans les brevets américains US 3 198 625 et US 3 676 111 ne sont pas impli- quées On pense qu'en l'absence de bore, les oxydes ou autres compo- sés des éléments d'alliage ou impuretés, ou un revêtement d'Al ou d'alumine elle-même, se forme à la surface des filières ou autres ou- tillages Un tel revêtement, lorsqu'il apparaît, retarde le filage, provoque des collages à chaud, rend la surface du produit rugueuse et peut provoquer des déchirures On pense de plus que l'addition de bore selon l'invention, sous quelque forme qu'il soit dans l'alliage, peut- être sous forme d'un composé dur type borure, nettoie la filière ou maintient la surface des outillages propre. Exemple I Un procédé selon la présente invention comprend 1) l'élaboration d'un alliage à partir d'une charge contenant des déchets d'alliages à base d'Al, de manière à obtenir l'analyse sui- vante (en poids) Si = 0,3 0,70 % Mn Mg = 0,3 0,75 Z Fe = 0,25 0,70 Z -6- Cu 2) la coulée de l'alliage sous forme d'une billette. 3) l'homogénéisation de ladite billette à une température supérieure à 5650 C pen 4 ant une durée supérieure à 4 h. 4) le refroidissement de ladite billette, jusqu'à une température in- férieure à 250 C à une vitesse de refroidissement moyenne supérieu- re à 100 C/h, au-dessus de 250 C. La charge initiale contient, de préférence, plus de 20 % de déchets autres que les A-GS ( 6060 ou 6063) ' Dans ces conditions, les billettes peuvent être filées dans les condi- tions habituelles, et les produits obtenus présentent un bel état de surface, tout en conservant les caractéristiques mécaniques habituel- les Le bore est de préférence introduit dans le bain fondu avant le dégazage, sous forme d'alliage mère aluminium-bore. La quantité de déchets incorporables à la charge peut aller jusqu'à %. Exemple 2: On a élaboré avec 100 % de chutes, les coulées de compositiongsuivan- tes (en poids): (voir page suivante) -7- Les alliages A, B, C, E, F, sont conformes à l'invention; les allia- ges 6063 et 6060 sont des alliages de comparaison élaborés avec 100 % de chutes de la même nuance L'alliage D a été élaboré comme les al- liages A, B, C, E, F, mais l'addition de bore y a été omise. Ces alliages ont été coulée sous forme de billettes O 95 mm, homogé- néisées à 580 C pendant 8 h et filées à chaud sous forme de profilés tubulaires à ailettes, avec un rapport de corroyage de 90, dans deux conditions différentes: a) conditions sévères: température ( 510 C) et vitesse de filage (V = 120 m/mn) élevées, b) conditions normales: température ( 480 C) et vitesse de filage (V = 50 m/mn) habituelles. L'aspect des profilés est donné dans le tableau II: TABLEAU II TABLEAU I Allia-l Si Fe Cu Mn Mg Ti B ge % % % % _% ppm A 0 49 0 33 0 10 O 11 O 45 0 009 22 B 0 49 0 33 0 10 0 11 0 45 0 009 55 C 0 48 0 30 0 21 0 21 0 47 0 006 23 D 0 46 0 28 0 20 0 21 0 47 0 017 E 0 42 0 44 O 20 0 20 0 40 0 011 40 F 0 41 0 45 0 10 0 30 0 40 0 012 40 6063 0 45 O 18 6060 0 42 0 19 0 03 0 01 0 55 0 011 Alliage V = 120 m/mn V = 50 m/mn A bon très bon B bon bon C bon bon D très mauvais mauvais (déchirures) E bon bon F bon bon 6063 très mauvais acceptable (déchirures) 6060 bon très bon -8- On peut noter le très mauvais comportement de l'alliage D sans bore. Les caractéristiques de traction après revenu 8 h à 175 C sont don- nées dans le tableau III. TABLEAU III Exemple 3: L'alliage 3004 selon l'Aluminium Association est ble pour la fabrication de boîtes pour boissons. suivante (en poids): Si 0,30 % Fe 0,70 Z Cu un alliage utilisa- Son analyse est la Dans chacune de deux coulées de 40 tonnes d'alliage, type 3004, on a introduit du bore, l'addition étant faite sous forme de 100 kg d'alliage-mère ayant une composition Al = 96 %, B = 4 %; les introduc- tions ont été faites durant le transfert du métal entre le four de fusion et le four de maintien. Les coulées ont été transformées en t 8 les suivant la pratique habi- tuelle, l'épaisseur finale étant de 0,42 mm à l'état H 19. Alliage R 0,2 (M Pa) Rm (M Pa) A(t) A 223 259 15 B 223 259 15 C 222 258 15 E 181 221 15 F 176 194 15 6063 195 253 18 6060 181 239 17 -9- Le métal a été ensuite transformé en corps de boîtes de boissons sur des presses d'emboutissage-étirage à grande vitesse En 24 heures de production, il y a eu 19 casses, c'est-à-dire les cas o le métal se déchire au cours de l'emboutissage ou de l'étirage Ceci représente une réduction de 30 % du nombre de casses rencontrées en moyenne sur cet ensemble de presses, quand on y travaille du 3004 standard sans addition de bore. De plus, pratiquement aucun polissage des outils n'a été nécessaire en l'absence de dépôts sur les outillages des presses. D'après ce qui précède, on peut constater que la présente invention fournit une méthode pour améliorer la productivité en atténuant les facteurs qui font obstacle à la formabilité des alliages sous forme de t 8 les. En résumé, on peut voir d'après la description précédente que l'in- vention atteint ses objectifs d'amélioration des caractéristiques de filabilité et de formabilité des alliages type Al-Mg-Si, et l'amé- lioration de tels alliages de manière simple et efficace, et permet aux producteurs d'utiliser une forte proportion de chutes de basse qualité pour la production d'alliages de haute qualité, avec en con- séquence, des économies d'énergie et une meilleure productivité. -10- REVENDICATIONS 1 Méthode pour obtenir un alliage type AI-Mg-Si hautement formable à chaud ou à froid, caractérisé en ce que l'on fond une charge con- tenant au moins l'un des éléments suivants, dans les limites ci-après (% en poids) 0,1 Cu s'il y a lieu, pour l'affinage du grain. 2 Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la quan- tité de bore incorporée est comprise entre 20 et 80 ppm. 3 Méthode selon les revendications I ou 2, caractérisge en ce que la quantité de bore incorporée est comprise entre 30 et 50 ppm. 4 Méthode selon l'une des revendications I à 3, caractérisée en ce que la charge contient plus de 20 % de chutes d'alliages autres que celui à élaborer. Méthode selon l'une des revendications I à 4, caractérisé en ce que le bore est introduit juste avant dégazage et coulée. 6 Méthode selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que le bore est introduit sous forme d'un alliage-mère. 7 Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'alliage est du type 6060 ou 6061 ou 6063 ou 6351, (selon la no- menclature de l'Aluminium Association). 8 Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'alliage est du type 3004 (selon la nomenclature de l'Aluminium Association).