Brevet FR2683173A1 — publié le 19930507

TOLE COMPOSITE A BASE D'ALUMINIUM ET PROCEDE DE FABRICATION DE CETTE TOLE Description La presente invention concerne une tôle composite à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, ainsi que son procédé de fabrication. Les tôles en aluminium ou en alliage d'aluminium sont très souvent utilisées pour La fabrication d'objets de formes diverses et de ce fait doivent subir des opérations de déformation à froid telles que le pliage et/ou l'emboutissage profond. Par ailleurs, ces tôles subissent généralement un traitement de durcissement afin de presenter une meilleure résistance à la corrosion et à l'abrasion. A cet effet, on connaît déjà d'après L'article de Brautt, Cholvy et Cossin, "2000 Vickers, le chrome dur sous vide", Traitement de surface nO 596, une technique de durcissement d'une tôle d'alliage d'aLuminium consistant à réaliser un dépôt physique en phase vapeur sur la surface de ladite tôLe. Les dépôts obtenus, dont l'épaisseur est généralement voisine de quelques micromètres, sont durs et constituent une excellente protection contre la corrosion tout en ameliorant les qualités de frottement des matrices métalLiques revêtues. Toutefois si ces tôles sont ductiles à froid, les revêtements durs et minces qui les recouvrent, ne peuvent pas supporter d'efforts ponctueLs importants. En conséquence, les tôles d'alliage d'aluminium ainsi revêtues ne peuvent pas subir de deformations importantes comme des operations d'emboutissage profond, car le revêtement se fissure et se casse. On connaît également un procédé de durcissement d'une tôle consistant à revêtir celte-ci de particules de cramique, au cours d'une opération de projection à chaud, réalisée à L'aide d'un chalumeau à flamme oxyacétylénique ou à plasma argon. Ce procede est décrit notamment dans "Flamme Spraying with Al. and Al alloys", Aluminium Industries, vol.17 nO 10, Décembre 88, p.5 et dans "Revêtements de surface fonctionnels par projection plasma" Mat et Techn, mars 1988, p.40. Dans ce cas, le durcissement superficiel ne peut être obtenu qu'en réaLisant un dépôt continu de particules de céramique, ce qui implique la mise en place de plusieurs couches avec une épaisseur d'au moins 50 ym. Là encore, les operations d'emboutissage profond ou de pliage ne sont pas possibles, car elles entrainent la destruction des dépôts superficiels. Enfin, on connait également d'après les demandes de brevets JP 021 426 85 et GB 214 406, des structures laminaires en aluminium et en acier. Les probLèmes techniques rencontrés sont identiques à ceux précédemment cites. De plus, si l'on souhaite ensuite recouvrir les toLes obtenues d'une couche de polytétrafluoroéthylène CPTFE), notamment pour des applications concernant les ustensiles culinaires, il est nécessaire de faire apparaitre de L'aluminium à la surface. En consequence, t'invention a pour objet de mettre au point un procédé de fabrication permettant d'obtenir une tôle en aluminium ou en alliage d'aluminium ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur précédemment cités, c'est-å-dire étant simultanément résistante à l'abrasion et à la corrosion, tout en pouvant subir des opérations de déformation à froid. Selon les caractéristiques de l'invention, la tôle composite obtenue comprend une tôle realisée en aluminium ou dans un alliage d'aluminium faiblement allie, plastique à une température comprise entre 350 et 5000C et comprenant une grille en acier inoxydable austénitique durci, incrustée au moins partiellement dans la face supérieure de ladite tôle. De préférence, les fils constituant la grille ont subi un traitement de durcissement, de façon à avoir une âme centrale ductile et une zone périphérique annulaire d'une dureté supérieure à 1500 HV. Ainsi, grâce aux caractéristiques de l'invention, on obtient de façon economique une tôle en alliage d'aluminium dont la surface est renforcee par une distribution régulière d'éléments métalliques plus durs que l'aluminium et, plus ou moins apparents en fonction du degré d'incrustation de la grille. Les tôles ainsi obtenues d'une part sont résistantes à l'abrasion et d'autre part peuvent ulterieurement être formées dans des opérations d'emboutissage profond, sans risque de déchaussement des éléments durs apparents. De préférence, la grille est incrustée dans la tôle, de façon qu'au maximum, la surface supérieure de la grille soit dans le même plan que la surface supérieure de la tôle. Ceci permet ultérieurement de déposer sur La surface superieure de la tôle présentant la grille, une couche de polytétrafluoroéthylène. Ce type de tôle renforcée et présentant une couche de PTFE, permet de réaliser des objets notamment dans le domaine des ustensiles de cuisine. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle tôle, ce procédé comprenant les étapes consistant à : - chauffer à une température comprise entre 350 et 5000C, ou mieux d'environ 4000C, une tôle réalisée en aluminium ou dans un alliage d'aluminium faiblement allié, ductile à ces températures, - chauffer une grille en acier inoxydable austenitique à une temperature comprise entre 350 et 5000C, ou mieux d'environ 4000C, - placer la grille et la tôle L'une contre l'autre, - comprimer La grille sur la tôle sous une pression comprise entre 5 et 10 MPa, (de préférence 5 MPa) jusqu'à obtenir L'incrustation de la grille dans la tôle. De préférence, l'incrustation de la grille dans la tôle est réalisée par compression à la presse ou par Laminage. Lorsque l'on utilise la compression à la presse, on dispose des entretoises à l'intérieur de la presse afin d'ajuster la profondeur d'incrustation de la grille dans la tôle. Ces entretroises permettent de maîtriser la course du vérin assurant la compression de la tôle contre la grille. On peut ainsi contrôler la cinétique d'incrustation, afin de laisser en relief, par rapport à la surface de la tôle d'aluminium, un volume plus ou moins important de la grille. Le procédé selon l'invention permet d'incruster à la surface d'une tôle d'alliage d'aluminium, de façon régulière et homogene, des elements durs résistant à l'abrasion. De préférence, les alliages d'aluminium faiblement alliés utilisés sont choisis parmi les séries normalisées 2000, 3000 et 4000 (norme AFNOR NF 02-104). Ainsi, ces alliages sont plastiques aux températures de chauffage du procédé et peuvent recouvrir par fluage à chaud, Les noeuds de la toile métallique. De façon avantageuse, avant de chauffer la grille et la tôle d'aluminium et de les incruster l'une dans l'autre, on fait subir à la grille un traitement de durcissement. Selon les caracteristiques de l'invention, ce traitement de durcissement est de préférence un traitement thermochimique de nitruration ou de boruration en bains de sels fondus. Ce traitement est nécessaire car les aciers inoxydables austénitiques classiques, à faible taux de carbone (% C Par ailleurs, le simple durcissement des aciers par une technique de revêtement superficielle de quelques microns d'épaisseur n'est pas suffisant pour effectuer un durcissement correct de ces aciers. En effet, ce revêtement est insuffisant pour supporter ultérieurement sans déformation des contraintes importantes transmises par des outils tranchants susceptibles de rayer la surface du matériau composite. En conséquence, on a constaté que les techniques de durcissement précédemment citees permettaient de façon economique et fiable, de durcir la périphérie des brins constituant ta grilLe sur une profondeur de 50 à 100 ym. Toutefois, on notera que le traitement de boruration en bains de sels fondus ne peut être réalisé que sur des aciers inoxydables austénitiques présentant un taux de carbone inférieur à 0,03 X et choisis parmi les nuances 304 L et 316 L (normes AFNOR). L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple illustratif et des dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective d'une tôle composite selon l'invention, - les figures 2, 3, 4 et 5 représentent les étapes successives d'un premier mode de réalisation du procédé de fabrication selon L'invention, et - La figure 6 illustre en partie, un second mode de réalisation du procédé de fabrication selon l'invention. Comme illustré en figure 1, la tôle composite selon l'invention comprend d'une part une tôle 1 réalisée soit en aluminium, soit dans un alliage d'aluminium faibLement allié et une grille 3 en acier inoxydable austénitique. Cette grille 3 est au moins partiellement incrustée dans la face supérieure 5 de ladite tôle 1, (le terme "superieure" doit être interprété en faisant référence à la figure 1). De préférence, les alliages d'aluminium sont choisis parmi ceux qui sont suffisamment plastiques à une température comprise entre 350 et 5O00C, pour permettre l'incrustation de la grille 3. La grille 3 est réalisée dans un acier inoxydable austenitique de préférence à très faible pourcentage de carbone (X C Ces procédés seront détaillés ulterieurement. It résulte de ce traitement de durcissement que chaque brin 6 constituant la grille 3 presente une zone centrale ductile et une zone périphérique annulaire plus dure, c'est-à-dire d'une dureté supérieure à 1500 HV, sur une épaisseur comprise entre 50 et 100 ym. Enfin, on notera que la tôle composite ainsi préparée peut, en variante, recevoir sur sa face supérieure 5, un revêtement 7 en polytétrafluoroéthylène (PTFE) qui adhère sur les portions 8 de la face supérieure 5 de la tôle, apparaissant entre les brins 6 de la grille. Enfin, on notera que la profondeur d'incrustation de la grille 3 est variable ; toutefois, au maximum, la surface supérieure 9 de la grille 3 est dans le même plan que la surface supérieure 5 de la tôle 1. L'invention concerne également te procédé de fabrication de cette tôle composite. Un premier mode de realisation de ce procédé est illustré schématiquement sur les figures 2 à 5. La première étape de ce procédé consiste à realiser un traitement de durcissement thermochimique par boruration ou nitruration en bains de sels fondus. Cette étape est représentée en figure 2. La nitruration ou la boruration en bains de sels fondus consiste à placer la grille 3 dans un bain 10, respectivement de cyanure ou de bore et à chauffer l'ensemble à une température voisine de 57O0C, respectivement entre 900 et 11500C. Ces traitements sont connus et sont décrits plus précisément dans le livre "Les aciers inoxydables" Editions Techniques et Documentation Lavoisier, p.258-260. Le traitement de boruration n'est toutefois réalisable que sur des aciers inoxydables austénitiques ayant des teneurs en carbone inférieures à 0,03 X, car sinon, ceux-ci seraient trop sensibles à la corrosion intergranulaire lors du refroidissement après le traitement de boruration. Par ailleurs, comme illustré en figure 3, on découpe une tôle 1 en alliage d'aluminium. Ensuite la tôle 1 et la grille 3 sont superposées et chauffees à des températures comprises entre 350 et 5000C, de préférence 400 C, comme cela est illustré en figure 4. Les deux flancs superposés sont alors portés rapidement sous une presse 11 actionnée par des vérins 13 (représentés schématiquement). L'ensemble est comprimé a une pression de refoulement comprise entre 5 et 10 MPa, de préférence voisine d'environ 5 MPa. La pression de refoulement correspond à la pression maximale nécessaire pour obtenir une déformation de 50 Z d'un lopin cylindre. La température de traitement est choisie dans l'intervalle thermique où la pression de refoulement est minimum. Pour les nuances d'aluminium citees précédemment, une pression de refoulement de 5 MPa est suffisante pour obtenir une déformation importante entre 350 et 5000 C. La température de refoulement est choisie de façon à obtenir une incrustation plus ou moins prononcée de la grille 3 de façon que la tôle d'alLiage d'aluminium recouvre par fluage à chaud, les noeuds 14 de la grille 3. Par ailleurs, L'incrustation maximale peut être contrôlée par un jeu d'entretoises 15 disposé entre les deux parties de la presse 11 et permettant de contrôler la course du vérin 13. Enfin, lorsque cette opération est terminée, il est possible d'effectuer une ultime etape consistant à deposer sur la surface supérieure 5 de la tôle 1, une couche de PTFE 17 (représentée en figure 1). Cette étape du procédé peut être réalisée par n'importe quelle technique classique, connue de l'homme du métier et n'a donc pas été représentée. Un second mode de réalisation du procédé de fabrication de la tôle va maintenant être décrit en faisant référence à la figure 6. Ce mode de réalisation est identique au premier en ce qui concerne les étapes de durcissement de la grille 3 (figure 2), de découpage de la tale 1 (figure 3) et de chauffage de la tôle 1 et de la grille 3 (figure 4). Ensuite, par contre l'incrustation de la grille 3 dans la tôle 1 est réalisée par laminage. Comme illustré en figure 6, la grille 3 et La tôle 1 sont comprimées par le passage entre deux rouleaux 17. Un exemple particulier de réalisation va maintenant être décrit. Exemple : On a utilise une grille constituée de brins en acier inoxydable de nuance 304 L (norme Z2 CN 18.10), d'un diamètre de 0,28 mm et d'une ouverture de maille de 0,50 mm. Cette grille présentait une proportion de vide de 40 X environ. Cette grille a été durcie en profondeur par un traitement thermochimique de boruration en bains de sels fondus, effectué pendant une durée comprise entre 1 et 5 heures, à une temperature comprise entre 900 et 12000C. Ce traitement a permis de durcir tes brins sur une profondeur de 0,05 mm, en laissant une zone centrale ductile d'un diamètre de 0,18 mm. Par ailleurs, une tôle réalisée dans un alliage d'aluminium (nuance 2000) d'une épaisseur de 2 mm a été prédécoupée. La grille borurée et la tôle en aluminium ont été chauffées à 4000C pendant 10 minutes dans un moufle à l'air libre. Ensuite, la grille et la tôle superposées ont été portées rapidement sous une presse où l'ensemble a eté comprimé avec une pression inferieure à 10 MPa, de façon à obtenir une certaine incrustation de la grille dans la tôle d'aluminium. La tôle composite ainsi réalisée peut être emboutie à froid et peut permettre de réaliser par exemple te fond d'un ustensile à usage culinaire. Revendications 1. Tôle composite, caracterisée en ce qu'elle comprend une tôle (1) réalisée en aluminium ou dans un alliage d'aluminium faiblement allié, plastique à une température comprise entre 350 et 5000C et une grille (3) en acier inoxydable austénitique durci, incrustée au moins partiellement dans la face supérieure (5) de ladite tôle (1). 2. Tôle composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que les brins (6) constituant la grille (3) ont subi un traitement de durcissement de façon à avoir une âme centrale ductile et une zone périphérique annulaire d'une dureté supérieure à 1500 HV. 3. TôLe composite selon la revendication 2, caractérisée en ce que la zone périphérique dure de chaque brin (6) constituant la grille (3) présente une épaisseur comprise entre 50 et 100 ym. 4. Tôle composite selon La revendication 1, caractérisée en ce que les alliages d'aluminium faiblement alLiés sont choisis parmi les séries normalisées 2000, 3000 et 4000. 5. Tôle composite selon La revendication 1, caractérisée en ce que la grille (3) est réalisée dans un acier inoxydable austénitique présentant un taux de carbone inférieur à 0,03 x et choisi parmi Les nuances normalisées 304L et 316L. 6. Tôle composite selon la revendication 2, caractérisée en ce que le traitement de durcissement est un traitement thermochimique de nitruration en bains de sels fondus. 7. Tôle composite selon Les revendications 2 et 5, caractérisée en ce que le traitement de durcissement est un traitement thermochimique de boruration en bains de sels fondus. 8. Tôle composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la grille (3) est incrustée dans la tôle (1), de façon qu'au maximum la surface supérieure (9) de la grille (3) soit dans le même plan que la surface supérieure (5) de la tôle. 9. Tôle composite selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une couche de polytetrafluoroéthyléne (7) disposée sur la surface supérieure (5) de la tôle (1) présentant la grille (3) incrustée. 10. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon L'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les etapes consistant à: - chauffer à une température comprise entre 350 et 5000C, une tôle (1) réalisée en aluminium ou dans un alliage d'aluminium faiblement allié, ductile à ces températures, - chauffer une grille (3) en acier inoxydable austenitique à une température comprise entre 350 et 5000 C, - placer la grille (3) et la tôle (1) L'une contre l'autre, - comprimer la grille (3) sur la tôle (1) sous une pression comprise entre 5 et 10 MPa, jusqu'à obtenir l'incrustation de ladite grille dans la tôle. 11. Procedé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'incrustation de la grille (3) dans la tôle (1) est réalisée par compression à la presse (11). 12. Procedé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'incrustation de la grille (3) dans la tôle (1) est réalisée par laminage. 13. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'avant de chauffer la grille (3), on lui fait subir un traitement de durcissement. 14. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 10, caracterise en ce que la grille (3) est réalisée dans un acier inoxydable austénitique présentant un taux de carbone inférieur à 0,03 X et choisi parmi les nuances normalisées 304L et 316L. 15. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 10, caractérisé en ce que les alliages d'aluminium faiblement alliés sont choisis parmi les séries normalisées 2000, 3000 et 4000. 16. Procedé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 13, caractérisé en ce que le traitement de durcissement est un traitement thermochimique de nitruration en bains de sels fondus. 17. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon les revendications 13 et 14, caractérisé en ce que le traitement de durcissement est un traitement thermochimique de boruration en bains de sels fondus. 18. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 10, caractérisé en ce que la température de chauffage de la tôle (1) et de la grille (3) est d'environ 4000C. 19. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pression d'incrustation est d'environ 5 MPa. 20. Procedé de fabrication d'une tôle composite selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'on dispose des entretoises (15) à l'intérieur de la presse (11) afin d'ajuster la profondeur d'incrustation de la grille dans la tôle. 21. Procédé de fabrication d'une tôle composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après avoir incrusté la grille (3) dans la tôle (1), on dépose sur la surface supérieure (5) de la tôle présentant la grille, une couche de polytétrafluoréthylène (7).