Brevet FR2742165A1 — publié le 19970613

PROCEDE DE FABRICATION DE BANDES MINCES EN ALLIAGE D'ALUMINIUM A HAUTE RESISTANCE ET FORMABILITE Draine technique L'invention concerne un procédé de fabrication de bandes d'épaisseur inférieure à 5 mm en alliages d'aluminium comportant comme éléments d'addition du silicium et éventuellement du magnésium et/ou du cuivre, par coulée continue entre 2 cylindres refroidis et éventuellement laminage à froid, ces bandes, présentant une résistance mécanique élevée et une bonne formabilité, étant destinées à des applications mécaniques, en particulier la carrosserie automobile. Etat de la technique Les bandes en alliages d'aluminium destinées à des applications mécaniques telles que la carrosserie automobile sont habituellement élaborées par coulée semi-continue de plaques, laminage à chaud et laminage à froid, avec un certain nombre de traitements thermiques intermédiaires ou finaux. On peut utiliser également les procédés de coulée continue, en particulier la coulée continue entre 2 cylindres refroidis, qui présente l'avantage de limiter et souvent d'éviter l'opération de laminage à chaud, mais est de mise en oeuvre délicate pour des alliages fortement chargés en éléments d'addition. Ainsi le brevet US 4126486 d'ALCAN décrit un procédé de fabrication de bandes en alliage AlSi (Si compris entre 4 et 15% en poids) avec des additions éventuelles de Mg, Cu, Zn, Fe et/ou Mn, obtenues par exemple par coulée continue entre 2 cylindres, à une vitesse > 0,25 m/mn, d'une bande d'épaisseur comprise entre 5 et 8 mm, puis laminage à froid avec un taux de réduction supérieur à 60% et recuit. On obtient une structure de coulée présentant des composés intermétalliques en forme de bâtonnets, qui sont transformés en fines particules par le laminage à froid, ce qui améliore l'aptitude à la mise en forme. La demande de brevet Japonais JP 62-207851 de SKY ALUMINUM concerne des bandes en alliage AlSiMg avec Si compris entre 0,4 et 2,5% et Mg entre 0,1 et 1,2% (en poids), à structure intermétallique fine, obtenues par coulée continue d'une bande d'épaisseur comprise entre 3 et 15 mm, puis laminage à froid, mise en solution et trempe. Ces bandes peuvent être utilisées pour la carrosserie automobile et d'autres applications mécaniques telles que les climatiseurs ou les réservoirs d'essence. Cette gamme d'alliages se situe dans un domaine de composition classique des alliages d'aluminium de la série 6000 qu'on peut obtenir par coulée classique, et elle n'exploite pas le potentiel de durcissement du cuivre et du silicium, car leur formabilité est limitée par la présence de phases grossières au silicium et ceci en limite les applications. D'une manière générale, l'élaboration d'alliages fortement chargés en éléments d'addition par coulée continue entre cylindres pose problème, car la présence de phases intermétalliques peut conduire lors de la coulée à une microstructure impropre à la transformation ultérieure. Si l'on veut obtenir des bandes en alliages d'aluminium, même peu chargés, ayant à la fois une résistance mécanique élevée et une bonne formabilité, il est recommandé, dans les publications sur le sujet, d'imposer des efforts importants entre les cylindres, permettant d'obtenir une microstructure saine, exempte de ségrégations. Ainsi, P.M. THOMAS et P.G. GROCOCK de la société DAVY INTERNATIONAL dans leur présentation "High speed thin strip casting comes of age" au congrès ALUMITECH à Atlanta (USA), 26-28 octobre 1994, indiquent qu'il faut appliquer aux cylindres des efforts importants, de l'ordre de 0,5 à 1 t par mm de largeur de bande pour de l'aluminium pur ou faiblement allié, ce qui implique l'utilisation de cylindres cambrés. Selon ces auteurs, les efforts doivent être d'autant plus élevés que l'épaisseur de la bande coulée est faible. L'effet de l'effort appliqué sur l'apparition de la ségrégation centrale est résumé dans l'article sous forme d'un diagramme, reproduit à la figure 1, représentant les limites d'apparition de ségrégations en fonction de l'effort appliqué et de l'épaisseur de la bande. Ce diagramme montre, selon les auteurs, qu'il est possible d'obtenir une microstructure exempte de défauts microstructuraux à coeur sous toutes conditions, sauf des efforts relativement bas. Si l'épaisseur est réduite, des efforts spécifiques plus élevés sont nécéssaires pour que la structure reste exempte de ségrégations. La présentation de B. TARAGLIO et C. ROMANOWSKI de la société HUNTER ENGINEERING "Thin-gauge / High-speed roll casting technology for foil production" au congrès AIME/TMS Light Metals 95, indique que la puissance du laminoir utilisé pour la coulée continue entre cylindres est de 3000 t. Cette valeur souligne la nécéssité d'utiliser des efforts importants lors de la coulée continue entre cylindres. Il est clair que la diminution de cet effort présente un grand intérêt, car elle permettrait de construire des équipements plus légers et moins comateux. Il est connu de l'homme de métier, et cela ressort de l'article précédent, que le point de fonctionnement d'une machine de coulée continue entre cylindres est décrit par trois variables: l'effort exercé par les cylindres sur la bande (exprimé en tonnes par mètre de largeur de bande), l'épaisseur de la bande sortant des cylindres (en mm) et la vitesse de coulée (en m/mn). Deux quelconques de ces variables peuvent être réglées de manière indépendante et, pour chaque point de fonctionnement ainsi défini, ce sont la qualité du produit obtenu et la productivité de la machine qui déterminent son intérêt industriel. En résumé, l'état de la technique enseigne qu'il faut rechercher un point de fonctionnement dans le domaine des efforts élevés et ce d'autant plus que l'alliage est plus chargé. Par ailleurs on constate qu'on n'a pas fabriqué Jusqu'à maintenant d'alliages fortement chargés par coulée continue entre cylindres. Cela ressort par exemple de la liste d'alliages figurant au tableau 1 de l'article de B. TARAGLIO et al. mentionné précédemment, qui indique ceux qui sont coulables à l'aide de la machine de coulée qu'il décrit. Objet de l'invention Les inventeurs se sont aperçu que, contrairement à l'enseignement de l'art antérieur, l'utilisation d'un point de fonctionnement correspondant à un niveau d'effort faible entre les cylindres conduisait de manière surprenante à une amélioration de la qualité microstructurale des bandes coulées par rapport aux bandes coulées avec des efforts plus importants et permettait d'obtenir des bandes minces en alliages chargés en silicium, magnésium et/ou cuivre, en particulier des alliages AlSiMg et AlSiMgCu jusqu'alors inaccessibles en coulée continue, et présentant à la fois des caractéristiques mécaniques élevées et une bonne formabilité. L'objet de l'invention est ainsi un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium à résistance mécanique élevée et à bonne formabilité comportant: - l'élaboration d'un alliage d'aluminium contenant (en poids) de 0,5 à 13% de Si, de 0 à 2% de Mg et/ou de O à 2% de Cu, et/ou de 0 à 2% de Fe, les autres éléments étant inférieurs à 0,5% chacun et 2% au total, - la coulée continue de cet alliage entre 2 cylindres refroidis pour obtenir une bande d'épaisseur comprise entre 1,5 et 5 mm, - éventuellement le laminage à froid de cette bande à une épaisseur inférieure à 2 mm, procédé dans lequel le point de fonctionnement se situe, dans un diagramme ayant pour abscisse l'épaisseur de la bande (en mm) et pour ordonnée l'effort spécifique appliqué aux cylindres (en t par mètre de largeur de bande coulée), en dessous de la droite AB, et de préférence en dessous de la droite A'B', A, B, A' et B' ayant les coordonnées: A: 1,5 mm 750 t/m A': 1,5 mm 700 t/m B: 5 mm 500 t/m B': 5 mm 300 t/m Le procédé comporte éventuellement, d'une part un recuit de la bande coulée avant laminage à une température comprise entre 420 et 600 C suivant la composition de l'alliage, d'autre part un traitement thermique de la bande laminée par mise en solution entre 420 et 600"C, trempe et revenu à une température L'invention s'applique de préférence à des alliages de composition (% en poids): Si: 2,6 - 13 Mg: 1,4 - 2 Cu Description des figures La figure 1 représente, dans un diagramme non coté ayant pour abscisse l'effort appliqué et pour ordonnée l'épaisseur de la bande, les différentes zones correspondant à l'apparition de défauts microstructuraux, en particulier des ségrégations. Ce diagramme est extrait de l'article de P.M. THOMAS et al. mentionné plus haut et fait donc partie de l'art antérieur. La figure 2 présente dans un diagramme ayant pour abscisse l'épaisseur de la bande coulée et pour ordonnée l'effort spécifique appliqué aux cylindres, la zone de fonctionnement selon l'invention. Les figures 3 et 4 sont des micrographies en coupe de bande coulée représentant respectivement une microstructure saine à dispersion fine et homogène des intermétalliques, et une microstructure avec des ségrégations impropre à une transformation ultérieure. Les figures 5 à 9 représentent respectivement, pour 5 alliages différents, les points représentatifs des paramètres de coulée des différents essais réalisés, dans un diagramme épaisseureffort. Description de l'invention L'alliage d'aluminium utilisé dans le procédé selon l'invention contient 0,5 à 13% de silicium. Au delà de 13%, on observe la formation de phases au silicium qui nuisent à la formabilité. En dessous de 0,5%, le durcissement apporté par Si est insuffisant pour obtenir des caractéristiques mécaniques suffisantes pour les applications envisagées telles que la carrosserie automobile. Le silicium peut être combiné au magnésium pour permettre la précipitation de phases durcissantes métastables Mg2Si. Des teneurs en Mg trop élevées, au dessus de 2%, conduisent à des ségrégations, et ce d'autant plus que l'effort appliqué à la coulée est élevé. L'ajout de cuivre ou de fer permet d'améliorer la résistance mécanique, mais, au-delà de 2%, on réduit trop la ductilité de la bande , et donc sa formabilité. L'élaboration d'alliages fortement chargés doit être soigneusement contrôlée, car les teneurs élevées en éléments d'addition conduisent à la présence d'une forte quantité de phases intermétalliques, qui risquent de se regrouper pour former une ségrégation à la solidification, ce qui a un effet néfaste sur les caractéristiques mécaniques des bandes, plus particulièrement la formabilité. C'est la raison pour laquelle le contrôle des paramètres indépendants de coulée, par exemple l'épaisseur et l'effort appliqué, doit être permanent et précis. La coulée continue de ces alliages se fait entre 2 cylindres refroidis ("twin roll casting" en anglais). Des machines de coulée de ce type existent depuis de nombreuses années, par exemple les coulées "3C" vendues par PECHINEY RHENALU, et elles ont été adaptées récemment pour couler des bandes d'épaisseur inférieures à 5 mm. Pour éviter la formation de ségrégations de phases intermétalliques dans la bande coulée, ayant un effet néfaste sur les caractéristiques mécaniques, et surtout sur la formabilité, la demanderesse a constaté, de manière surprenante, qu'il fallait, pour une largeur donnée de bande coulée, limiter l'effort appliqué aux cylindres pendant la coulée (appelé parfois "force de séparation", car c'est la force qui s'oppose à la séparation des cylindres l'un par rapport à l'autre) à l'intérieur d'un domaine particulier du diagramme effort/épaisseur. Contrairement à ce qui est préconisé dans l'art antérieur, l'effort doit être d'autant plus limité que l'alliage est plus chargé en éléments d'addition, en particulier en magnésium, car c'est là que le risque d'apparition de ségrégations néfastes est le plus grand. L'effort spécifique ne peut pas descendre en dessous de 100 t/m, sinon il n'y aurait plus entrainement de la bande et l'état de surface ne serait pas satisfaisant. Il est toujours inférieur à 750 t/m et doit être maintenu en dessous de la droite AB, et de préférence au dessous de la droite A'B', pour obtenir une microstructure saine telle que celle représentée à la figure 3. Pour les alliages à durcissement structural, la bande laminée subit un traitement thermique comportant, de façon classique, une mise en solution à une température légèrement inférieure à la température de fusion commençante, une trempe et une maturation à la température ambiante ou un traitement de revenu à une température inférieure à 300"C. Exemples On a élaboré 5 alliages, repérés de A à E, ayant la composition suivante: Alliage Si Mg Cu Fe A 7,05 0,56 0,12 0,21 B 7,02 0,60 0,002 0,14 C 4,8 1,42 1,80 0,18 D 11,9 0,50 0,19 0,29 E 2,0 1,83 0,92 0,22 On a effectué un traitement d'affinage à l'aide d'un alliage aluminium-titane-bore du type AT5B introduit dans le métal liquide dans le four d'élaboration. Les 5 alliages ont été coulés entre 2 cylindres frettés en acier spécial refroidis intérieurement à l'eau, sur une machine de coulée "3C" de la société PECHINEY RHENALU, pour donner des bandes de largeur 1,5 m, à différentes épaisseurs et à différentes valeurs d'effort. La température en sortie de coulée était comprise entre 220 et 350 C. On a examiné la microstructure des bandes coulées, la figure 3 représentant un exemple de microstructure saine, avec de fines particules intermétalliques dispersées de manière homogène, et la figure 4 une microstructure défectueuse, avec des ségrégations d'intermétalliques sous forme de longues traînées orientées dans le sens de la coulée, qui la rendent impropre à toute transformation ultérieure. Les bandes coulées ont été ensuite homogénéisées à 540"C pendant 8 h, puis laminées à froid Jusqu'à 1 mm, mises en solution à une température de 5400C dans un four à passage, trempées et revenues à 1800C pendant une durée variant de 30 mn à 8 h. Alliage A Les résultats des 5 essais réalisés avec cet alliage à différentes épaisseurs et avec différents efforts appliqués aux cylindres, sont indiqués dans le tableau suivant et représentés sur l'abaque de la figure 5: Essai 1 2 3 4 5 Epaisseur 2,4 1,6 4,8 2,3 3,7 coulée (mm) Effort 132 158 213 403 685 (t/m) Microstructure saine saine saine saine impropre Sur la bande laminée et traitée thermiquement par mise en solution, trempe et revenu correspondant à l'essai n" 3, c'est à dire une épaisseur de coulée de 4,8 mm, une vitesse de coulée de 2,1 m/mn et un effort de 213 t/m, on a mesuré la limite élastique à 0,2% de déformation plastique Ri 2, la résistance à la rupture Rm et le taux d'écrouissage n mesuré entre 3 et 4% de déformation: : R0,2 = 240 MPa Rm = 315 MPa n = 0,273 Alliage B Les résultats des 14 essais ont été les suivants: Essai Epaisseur Effort mm t/m 1 2,40 483 2 2,55 533 3 2,62 583 4 2,80 450 5 3,00 383 6 3,10 473 7 3,25 560 8 3,36 466 9 3,55 450 10 3,65 473 11 3,75 360 12 3,90 366 13 3,98 326 14 4,06 633 Ils sont illustrés par l'abaque de la figure 6. La microstructure est saine dans tous les cas, sauf pour l'essai n" 14. Alliage C Les 3 essais sur cet alliage ont donné les résultats suivants: Essai 1 2 3 Epaisseur 2,51 4,14 3,80 coulée (mm) Effort 240 489 632 (t/m) Microstructure saine saine Impropre Ces résultats sont représentés sur l'abaque de la figure 7. Les caractéristiques mécaniques de la bande laminée et traitée thermiquement issue de la coulée n0 2 (épaisseur de coulée: 4,14 mm, vitesse: 1,78 m/mn et effort: 489 t/m) sont: R0,2 - 275 MPa Rm - 345 MPa n - 0,286 Alliage D Les résultats des 6 essais de coulée ont été les suivants: Essai 1 2 3 4 5 6 Epaisseur 4,3 1,8 1,9 3,6 2,3 4,15 coulée (mm) Effort 132 198 286 456 763 863 (t/m) Microstructure saine saine saine saine impropres Ces résultats ont été reportés sur l'abaque de la figure 8. Sur les bandes laminées et traitées thermiquement issues des essais n" 1 et 3, on a mesuré les caractéristiques mécaniques suivantes: n" 1 Ro 2 = 168 MPa Rm = 356 MPa n = 0,263 n 3 R0,2 = 179 MPa Rm = 345 MPa n = 0,289 Alliage E Les résultats des 3 essais ont été les suivants: Essai 1 2 3 Epaisseur 3,23 4,30 2,15 coulée (mm) Effort 207 456 603 (t/m) Microstructure saine saine saine Ces résultats ont été reportés sur l'abaque de la figure 9. Sur la bande laminée et traitée thermiquement, correspondant à la coulée n 1 (épaisseur 3,23 mm, vitesse: 3,1 m/mn, effort 207 t/m), on a mesuré les caractéristiques mécaniques suivantes: RO,2 - 210 MPa Rm - 320 MPa n g 0,299 REVENDICATIONS 1) Procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium à résistance mécanique élevée et bonne formabilité, comportant: - l'élaboration d'un alliage contenant (en poids) de 0,5 à 13% de Si, de 0 à 2% de Mg et/ou de O à 2% de Cu, et/ou de 0 à 2% de Fe, les autres éléments étant et 2% au total, - la coulée continue de cet alliage entre 2 cylindres refroidis pour obtenir une bande coulée d'épaisseur comprise entre 1,5 et 5 mm, l'effort appliqué aux cylindres étant maintenu, dans un diagramme ayant pour abscisse l'épaisseur de coulée et pour ordonnée l'effort spécifique , au dessous de la droite AB, et de préférence au dessous de la droite A'B',les coordonnées de A, B, A' et B' étant: A: 1,5 mm 750 t par mètre de largeur de bande coulée, B: 5 mm 500 t/m A': 1,5 mm 700 t/m B': 5 mm 300 t/m - éventuellement le laminage à froid de cette bande. 2) Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'alliage coulé est tel que Si > 2,6% et Mg > 1,4%. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel on procède, entre la coulée et le laminage à froid, à un recuit d'homogénéisation entre 420 et 600"C. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la bande laminée est soumise à une mise en solution entre 420 et 600"C, une trempe et un revenu à une température inférieure à 300"C. 5) Utilisation d'une bande en alliage AlSiMgCu de composition: Si: 2,6 - 13%, Mg: 1,4 - 2%, Cu selon le procédé de la revendication 4 pour des éléments de carrosserie automobile.