Brevet FR2617189A1 — publié le 19881230

TOLES EN ALLIAGE D'ALUMINIUM CONTENANT DU MAGNESIUM APTES A LA FABRICATION PAR EMBOUTISSAGE-ETIRAGE DE CORPS DE BOITES ET PROCEDE D'OBTENTION DESDITES TOLES La présente invention est relative à des tôles en alliages d'aluminium contenant du magnésium aptes à la fabrication par emboutissage-étirage de corps de bottes et à un procédé d'obtention desdites tôles. L'homme de l'art sait qu'il est possible de couler en continu les alliages d'aluminium directement sous la forme de bandes dans des machines du type à rubans ou à cylindres telles que, par exemple, celle qui est décrite dans le brevet français n 1198006. Ces bandes peuvent atteindre une largeur de 2 mètres et ont généralement une épaisseur comprise entre 5 et 30 mm. Ce type de coulée a l'avantage sur la coulée en plaques de forte épaisseur d'éviter un nombre important de passes de laminage. Les bandes ainsi obtenues peuvent être amenées à des épaisseurs plus faibles allant jusqu'à quelques microns par une série d'opérations de laminage à froid ou à chaud séparées ou non par des opérations de recuit. En particulier, dans le cas o elles sont destinées à la fabrication de corps de boites utilisées, par exemple, au conditionnement de boissons gazeuses ou non, ces bandes sont transformées en tBles d'épaisseur voisine de quelques centaines de microns, dans lesquelles sont découpées des disques circulaires qui, sous l'action combinée d'un poinçon et d'une matrice, sont transformés par emboutissage en un godet, lequel, après une opération dite d'étirage visant à amincir ses parois, pourra être utilisé comme corps de botte. Le changement de forme résultant du passage d'un disque plan à un corps de botte nécessite l'application d'efforts importants et s'accompagne, notamment lors de l'étirage, d'un phénomène de grippage ou "galling" qu'on peut définir comme une adhérence d'un métal mou sur un métal dur. Dans le cas présent, des particules d'aluminium sont arrachées à la surface de la t8le et viennent adhérer à la surface de l'outil d'étirage en carbure de tungstène_. Ces particules, fortement écrouies et donc dures, provoquent l'apparition de rayures sur le corps de la boîte, ce qui diminue sa résistance mécanique et peut même conduire à sa rupture et en tout cas nuire à son esthétique. Pour éviter ce grippage et conférer aux corps de boites un aspect esthétique convenable, plusieurs solutions ont été préconisées. C'est ainsi que l'USP 3 930 895, mettant en oeuvre un alliage du type 3004 suivant la norme de l'Aluminium Association, c'est- à-dire ayant pour composition Si 0,3%, Fe 0,5%, Cu 0,25%, Mn 1. à 1,5%, Mg 0,8 à 1,3%, Zn 0,25%, solde Al, attribue les difficulte.és rencontrées au fait que la coulée continue entre cylindres conduit à la formation de particules d'Al-Mn de dimensions inférieures: à 2 pm, qui sont trop petites pour avoir un effet de nettoyage sur l'outillage et contribuent donc à son encrassement. Il cite le fait que, lorsqu'on traite un tel alliage obtenu en plaques par coulée classique, ces particules ont une dimension de 15 à pm et il n'y a pas alors encrassement. Voulant néanmoins profiter des avantages de la coulée continue entre cylindres, notamment en ce qui concerne l'uniformité de la microstructure,, l'inventeur préconise, pour augmenter la taille de ces particules. de modifier la composition de l'alliage 3004 en faisant passer la teneur en manganèse dans une fourchette comprise entre Z et 3%. L'USP 4 111 721 constate aussi ce phénomène de galling sur de& feuilles de 3004 et de 3003 et admet également qu'il faut accroitre la dimension des particules d'Al-Mn et d'Al-Mn-Fe pour le supprimer. Toutefois, pour y parvenir, il enseigne, non pas une modificatiam au niveau de la composition mais, un traitement thermique effectue de préférence à une température de 620 C, pendant un intervaIIe de temps compris entre 16.et 24 heures, traitement qui peut être effectué soit sur la bande brute de coulée, soit sur la bande ayant déjà subi une première série de passes de laminage. Le brevet français n 2 505 365 propose lui aussi une modification de composition de l'alliage mis en oeuvre qui ne concerne plus le manganèse mais, le silicium dont la teneur est accrue pour se situer dans la fourchette 0,3-0,6% en poids. Le brevet français n 2 525 047 déposé par la demanderesse préconise une solution tout à fait différente consistant à nettoyer mécaniquement la surface de la bande et à la modifier par chauffage dans l'air. Si de tels procédés ont conduit à une forte réduction du phénomène de grippage, ils n'ont néanmoins pas permis de le faire disparaître complètement. C'est pourquoi la demanderesse poursuivant ses recherches pour résoudre ce problème, a trouvé qu'il fallait que les t8les soumises à l'emboutissage-étirage présentent un état de surface particulier et que cet état pouvait être obtenu à partir d'alliages d'aluminium de compositions très différentes ayant cependant entre eux un point commun qui est la présence de magnésium.- Cet état particulier est caractérisé en ce que les t8les présentent sur 10 à 25% de leur surface des particules formées d'oxydes amorphes d'aluminium et d'oxydes cristallins de magnésium et d'aluminium réparties de façon homogène, ayant la forme de disques plats d'épaisseur inférieure à 5 pm et de diamètre moyen largement distribué autour d'une valeur moyenne comprise entre 2 et 15 pm. Ainsi selon l'invention, l'aptitude à l'emboutissage-étirage est- elle liée comme l'enseigne i'USP 3 930 895, à la présence de particules de dimensions relativement grandes se rapprochant de celles observées dans les plaques mais, la ressemblance s'arrête là car lesdites particules sont ici très différentes à la fois du point de vue distribution, composition et forme. En effet, 2 6 17189 - ces particules ne sont pas réparties dans toute la masse de la tôle mais seulement en surface et de plus sur une portion seulement de cette dernière. - ces particules ne sont pas composées d'intermétalliques du type Al-Mn ou Al-Mn-Fe mais d'oxydes de magnésium et d'aluminium à la fois amorphes et cristallins. - ces particules ont une forme bien particulière qui est celle de disques plats ayant une épaisseur limitée à 5 um et un diamètre moyen largement distribué autour d'une valeur moyenne comprise entre 2 et 15 1um. Les particules de l'invention sont particulièrement reconnaissables par examen de la tôle au microscope électronique par transmission o elles apparaissent sous forme de gros amas de couleur noire dispersés régulièrement dans une matrice plus claire et dont la microanalyse révèle qu'ils sont constitués essentiellement d'oxydes amorphes et cristallins d'aluminium et de magnésium. Pour obtenir ces particules, il est donc nécessaire que l'alliage de départ contienne du magnésium. Toutefois des teneurs aussi faibles que 0, 1% en.poids conviennent parfaitement de même que des teneurs allant jusqu'à 5% ne nuisent pas à l'obtention du résultat. Mais il faut savoir que l'invention est applicable aux alliages contenant également jusqu'à 2% de manganèse et ou 1,5% de silicium, éléments auxquels peuvent s'ajouter au moins un des éléments suivants: Cu, Zn, Cr, Fe, jusqu'à une teneur respective en poids égale à 0,5%; 0,5%, 0,5%, 0,7% et aussi des éléments d'affinage tels que Ti et B jusqu'à 0,1% en poids pour chacun d'eux. Ainsi une tôle en alliage d'aluminium désignée dans les normes de l'Aluminium Association sous le repère 3004, c'est-à-dire contenant en poids: Mg 0,8-1,3%; Mn 1,0-1,5%; Si 0,3%; Fe 0,7%, Cu 0,25%, Zn 0,25% présentant une surface conforme à l'invention, a permis d'obtenir avec un même outillage plus de 200 000 boites sans qu'on constate ni casse, ni rayures. De même un alliage référencé 5182 c'est-à-dire contenant en poids 4,0-5, 07%Mg; SiO,20%; Cu0,15%; ZnO,25%; FeO,35% présentant la structure revendiquée a permis également la fabrication de nombreuses boites sans incident. Il est à noter que les tôles en alliages d'aluminium chargées en magnésium que la demanderesse a rendues aptes à l'emboutissage- étirage suivant l'invention ont l'énorme avantage sur les tôles en alliages au manganèse d'avoir une meilleure résistance à la traction et permettent d'envisager des réductions d'épaisseur et d'améliorer ainsi les prix de revient des bottes. Pour illustrer l'invention, on a joint à la présente demande 2 figures qui sont des micrographies de la surface de tôles au grossissement 300. - La figure 1 correspond à une tôle en alliage 3004 qui ne présentait pas de particules et qui a donné lieu lors de l'étirage à des casses dès la mise en forme du 1000ème corps de botte. - La figure 2 correspond à une tôle du même alliage présentant des particules selon l'invention qui a permis la fabrication de plus de 200 000 corps de boites sans rayures. L'invention concerne également un procédé d'obtention desdites tôles. Ce procédé est caractérisé en ce- que l'on soumet la bande issue de la machine de coulée telle quelle ou après au moins une passe de laminage, à un décapage chimique de manière à diminuer son épaisseur d'au plus 2 pm et ce avant de lui faire subir un recuit à l'air entre 330 et 450 C pendant au moins trente minutes. 2 6 1 7 1 8 9 De préférence, les conditions de décapage sont choisies de manière à obtenir une réduction d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1)m. Certes, il est connu de décaper des bandes d'aluminium résultant de la coulée continue avec de la soude. On peut citer à ce sujet le brevet allemand DE 2 418 642. Cependant, ce brevet a essentiellement pour but d'éliminer les irrégularités de la bande qui sont constituées de ségrégations, pores et autres défauts analogues et qui ont des conséquences très fâcheuses sur les bandes de métal particulièrement lorsque celles-ci sont transformées ultérieurement en t8les, bandes ou feuilles de faible épaisseur. Ceci suppose un décapage relativement fort puisqu'il est dit dans ce brevet qu'on enlève une quantité de matière comprise entre et 100 g/m2, ce qui correspond à une épaisseur de 3,7 à 37 pm. Ce type de décapage n'a donc rien à voir avec celui de l'invention et, de plus, il ne vise nullement à éviter le grippage lors de l'étirage des corps de boîtes. La demanderesse a constaté en effet avec surprise qu'un faible décapage permet de révéler à la surface de la bande des zones dures qui, après un recuit à l'air entre 330 et 450 C pendant au moins 30 minutes, conduisent aux particules telles que décrites ci-dessus et ont donc pour effet de: diminuer le coefficient de frottement par durcissement de la surface, diminuer l'adhérence entre l'outil et l'alliage, - de nettoyer en permanence la bague d'étirage ce qui rend le métal dégrippant ou auto-nettoyant. Le décapage peut s'effectuer au moyen de tout agent de décapage mais, de préférence, à l'aide d'une solution contenant entre 0,1 et 10 g/l de NaOH dans laquelle est plongée la bande pendant une durée convenable pour ne pas enlever une épaisseur de métal supérieure à 2 pm. Cette durée est fonction de la composition de l'alliage mis en oeuvre et des opérations de laminage subies par la bande. Ce décapage est réalisable à la température ambiante c'est-à-dire au voisinage de 20 C mais, pour diminuer la durée du traitement, on peut aussi le faire à toute température inférieure à 100 C. De préférence, on se place dans l'intervalle 70 -80 0C. Des essais complémentaires ont montré que les résultats pouvaient encore être améliorés en procédant à un brossage comme dans le brevet français n 2 525 047 après avoir décapé la bande et avant de lui faire subir le recuit. Ce brossage semble avoir pour effet de mieux répartir les zones dures sur toute la surface de la bande et par suite de générer des surfaces anti-grippantes plus homogènes. Des conditions optima de recuit sont réalisées dans la gamme de températures comprises entre 350 et 400 C pendant une durée comprise entre 1 et 2 heures. L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant: Une bande de largeur 1100 mm, d'épaisseur 8 mm, de composition en poids 7: Si Fe Cu Mn Mg Ti A1 0,28 0,42 0,10 1,00 1,05 0,02 Solde a été obtenue par coulée entre cylindres. Elle a subi la gamme de transformation suivante: - homogénéisation à 600 C pendant 10 heures, - laminage à froid jusqu'à 2,7 mm, - recuit 2 h à 350 C, - laminage à froid jusqu'à 1,2 m, - décapage: 45 secondes dans une solution à 5 g/l de NaOH à 70 C de manière à enlever une épaisseur de métal de 0,8 Pm, - brossage, - recuit 2 h à 400 C - laminage à froid jusqu'à 0j33 mm. Le métal a ensuite été utilisé pour la réalisation de corps de boites de diamètre 0 66 mm et de hauteur moyenne 130 mm par emboutissage et étirage. Sur une série de 200 000 boites, aucune n'a présenté de rayures. Par contre, le métal ayant subi la même gamme de transformation sans le décapage, n'a pas permis de produire des boites sans rayure; au-delà de 500 bottes, les rayures augmentent avec le nombre de boîtes réalisées, et on assiste au bout de 1 000 boîtes à la rupture des parois du corps de boîte. ]EVENDICATIO"S 1- T81es en alliage d'aluminium contenant du magnésium aptes à la fabrication par emboutissage-étirage de corps de boîtes pour boissons gazeuses ou non obtenues par une opération de coulée en bandes suivie de traitements thermiques et de passes de laminage caractérisées en ce qu'elles présentent sur 10 à 25% de leur surface des particules formées d'oxydes amorphes, d'aluminium et d'oxydes cristallins, de magnésium et d'aluminium réparties de façon homogène, ayant la forme de disques plats d'épaisseur inférieure à 5 um et de diamètre moyen largement distribué autour d'une valeur moyenne comprise entre 2 et 15 1um. 2 - Tôles selon la revendication 1 caractérisées en ce qu'elles contiennent en poids 0,1 à 5% de magnésium. 3 - Tôles selon la revendication 1 caractérisées en ce qu'elles contiennent au moins un des éléments suivants avec une teneur maximum en poids égale à: Mn 2%; Si 1,5%. 4 - T8les selon la revendication 3 caractérisées en ce qu'elles contiennent au moins un des éléments suivants avec une teneur maximum en poids égale à Cu 0,5%; Zn 0,5%; Cr 0,5%; Fe 0,7%. - Tôles selon les revendications 1,3 et 4 caractérisées en ce qu'elles contiennent en poids jusqu'à 0,1% de bore et 0,1% de titane. 6 - Procédé d'obtention de tôles selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on soumet la bande issue de la machine de coulée telle quelle ou après au'moins une passe de laminage à un décapage chimique de manière à diminuer son épaisseur d'au plus 2 pm et avant de lui faire subir un recuit à l'air entre 330 et 450'C pendant au moins 30 minutes. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la diminution d'épaisseur est comprise entre 0,8 et 1 pm. 8 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le décapage est effectué au moyen d'une solution de soude. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la solution de soude a une concentration comprise entre 0,1 et 10 g/l. - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le décapage est effectué à une température comprise entre 20 et 100 C. 11 - Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la température est comprise entre 70 et 80 C. 12 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on procède à un brossage entre les opérations de décapage et de recuit. 13 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on fait subir un recuit entre 350 et 400 C. 14 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la durée du recuit est comprise entre 1 et 2 heures.