Brevet FR2747327A1 — publié le 19971017

PROCEDE ET OUTILLAGE DE FILAGE A GRANDE VITESSE D'ALLIAGES D'ALUMINIUM ET PROFILE OBTENU Domaine technique L'invention concerne le filage à grande vitesse de tubes et profilés en alliages d'aluminium, notamment en alliages à10 durcissement structural des séries 2000 et 7000 selon la désignation de l'Aluminum Association des Etats-Unis. Etat de la technique On a déjà cherché à augmenter la vitesse de filage des alliages d'aluminium tout en évitant l'apparition de défauts rédhibitoires, comme les criques, soit en améliorant les propriétés de contact entre le métal et la filière, en utilisant par exemple des lubrifiants particuliers, soit en20 s'efforçant de diminer les efforts de filage. Ainsi, le brevet PECHINEY FR 2266748 et son certificat d'addition FR 2341664, déposés respectivement en 1975 et 1976, avec comme inventeur Serge BERCOVICI, ont montré la possibilité d'augmenter de manière significative le rapport25 et/ou la vitesse de filage en diminuant la pression de filage, ce qui permettait en plus de réduire l'usure des outillages. Le procédé consistait à réchauffer le bloc à filer à une température nettement supérieure à celle du solidus de l'alliage, et à refroidir en cours de filage la filière et le30 produit, de manière à se retrouver en dessous de la température de solidus avant la fin du filage. Les 10 exemples décrits dans ces deux brevets indiquent des températures de réchauffage allant de 50 à 120 C au dessus de la température de solidus de l'alliage considéré,35 correspondant à des taux de fraction liquide allant de 3 à %. On obtient ainsi un produit thixotrope, dans lequel une partie au moins de la phase dendritique a évolué vers une structure globulaire, qui se maintient si le produit est refroidi, puis réchauffé au dessus de la température de solidus. Le refroidissement au cours du filage était apparu5 indispensable, d'une part parce que, dans la fourchette de température de filage choisie, le profilé non refroidi aurait été trop mou et déformable à la sortie de presse, et, d'autre part, on souhaitait éviter le phénomène de brulûre du métal, entrainant une baisse des caractéristiques mécaniques.10 Mais ceci entrainait un fonctionnement instable et des difficultés pratiques, qui n'ont pas permis que ce procédé soit exploité industriellement. Objet de l'invention En reprenant des recherches dans ce même domaine du filage à l'état pâteux, les inventeurs ont réussi, en modifiant très sensiblement les paramètres du procédé, à trouver des conditions de fonctionnement stables et reproductibles,20 permettant un développement à l'échelle industrielle. L'invention a ainsi pour objet un procédé de filage à grande vitesse des alliages d'aluminium, dans lequel l'alliage est porté, en début de filage, à une température supérieure à celle du solidus de l'alliage telle que la fraction liquide25 soit comprise entre 0,1 et 2%, et que la température de sortie de filage est au moins égale à la température d'entrée. Cette température d'entrée est, de préférence, supérieure d'au plus 30 C à la température de solidus. Le taux de fraction liquide est mesuré par calorimétrie différentielle (DSC). L'invention a également pour objet un outillage chauffant utilisé notamment pour la mise en oeuvre du procédé. Enfin elle a également pour objet des profilés en alliages d'aluminium, qu'on peut obtenir par le procédé ci-dessus, qui35 présentent une structure métallurgique nouvelle, avec une zone périphérique d'au moins 1 mm de largeur entièrement recristallisée, une zone intermédiaire partiellement recristallisée et une zone à coeur complètement fibrée. Description des figures La figure 1 représente en coupe axiale un outillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les figures 2 à 6 sont des micrographies de sections droites de barres filées selon le procédé de l'invention à des températures respectives de 490, 500, 510, 520 et 530 C.10 Description de l'invention Par rapport à la technique antérieure, l'invention consiste donc, d'une part à partir à une température moins élevée, très15 proche de celle du solidus et correspondant à un taux de fraction liquide faible, sans rechercher un comportement thixotrope, et d'autre part à ne pas refroidir le produit et la filière au cours du filage, mais au contraire à se maintenir au dessus du solidus jusqu'à la sortie.20 Les inventeurs ont en effet constaté que, dans ce cas, les effets de la "brûlure" du métal, tant redoutés des métallurgistes depuis des décennies, étaient en fait très peu marqués, sans doute à cause des progrès dans les techniques de fonderie, conduisant pour les billettes à des teneurs en25 hydrogène bien plus faibles que par le passé, et que les effets qui pouvaient subsister se révélaient peu gênants dans beaucoup d'applications. Le procédé selon l'invention consiste d'abord à préchauffer le bloc d'alliage à filer à une température légèrement infé1ieure30 à celle du solidus, pendant une durée d'au moins 5 h. Pour des raisons de productivité et d'économie d'énergie, cette opération peut se faire pour un ensemble de blocs dans un four ventilé, de manière à constituer un stock tampon. Chaque bloc est ensuite porté à la température d'entrée35 désirée par un moyen de chauffage précis et rapide, comme un four à induction, pendant 10 à 40 s. Les filières utilisées pour les profilés pleins sont, de préférence, à face plate et du type "rapide" ou "mixte", c'est-à-dire convergentes de quelques degrés à l'entrée, puis parallèles, de manière à maintenir le métal en compression en sortie de filière, et d'éviter la formation de criques5 générées par les contraintes de traction en sortie de portée. Pour les profilés creux, on peut utiliser des filières à aiguille centrale, des filières "porthole" ou des filières "spider". Pour éviter un refroidissement du bloc au contact des outillages, la filière est préchauffée au four à une température voisine de celle du filage, puis maintenue en température sur la presse par des moyens appropriés. Elle est équipée d'un logement permettant l'implantation d'un thermocouple pour mesurer et réguler sa température au niveau de la portée. Le conteneur de la presse est également chauffé à une température légèrement supérieure à la température d'entrée de filage visée. Un moyen de chauffage particulièrement adapté et constituant l'un des objets de l'invention, est représenté en20 éclaté à la figure 1. L'ensemble de l'outillage est constitué d'un porte-outillage (1), d'une filière (2), d'une contre- filière (3), d'une cale d'appui (4) et d'une cale de fond (5). Le chauffage de maintien s'effectue par l'intermédiaire d'un élément chauffant inséré dans le porte-outillage (1), sans modification des cotes externes de celui-ci, ni de celles des outillages. Cet élément chauffant est constitué d'une bobine (6) sur laquelle est enroulé un thermocoaxe (7). La régulation s'effectue au moyen du thermocouple (8) situé au niveau de la portée de la filière. Cet équipement permet le maintien de la30 température, Même pour des temps morts assez longs entre le filage de deux blocs successifs. La température de sortie de filage est toujours supérieure à la température d'entrée, d'au moins 10 C et d'au plus 80 C. Il est souhaitable d'accompagner le profilé à la sortie de la35 presse, sans le tractionner, par exemple à l'aide d'un tapis roulant. pour éviter de le déformer. Le profilé est ensuite refroidi à l'air et, dans le cas d'un alliage à durcissement structural, mis en solution, trempé, éventuellement tractionné, puis vieilli naturellement ou artificiellement par revenu. Le procédé est particulièrement intéressant pour les alliages5 à durcissement structural des séries 2000 et 7000. En effet, ces alliages sont habituellement filés à très faible vitesse à cause du risque d'apparition de criques, et l'invention permet un progrès important de la productivité, les vitesses accessibles sans criques étant multipliées par plus de 10. Par10 ailleurs, la température de sortie étant supérieure à la température de mise en solution, on peut effectuer la trempe sur presse, ce qui réduit le coût de fabrication. Une troisième raison est que la température de solidus relativement basse de ces alliages permet l'utilisation, comme15 pour le filage classique, d'outillages en acier trempé, la température de filage restant en dessous de la température d'adoucissement de ces aciers d'outillage. Pour les autres alliages, il y a lieu de prévoir des outillages en matériaux plus résistants à la température..20 Enfin, pour ces alliages 2000 et 7000, le procédé selon l'invention permet d'accéder à des géométries de profilés qui ne sont pas réalisables par filage classique dans des conditions économiques acceptables. C'est le cas par exemple de profilés creux non cylindriques tels que des tubes25 rectangulaires et on obtient ainsi des produits plus résistants que ceux en alliages 6000 produits actuellement. Le procédé selon l'invention conduit à une structure métallurgique des profilés tout à fait inédite. On observe en section droite une première zone périphérique proche de la30 surface, dans laquelle la structure est entièrement recristallisée sur une profondeur d'au moins 1 mm, suivie vers l'intérieur d'une zone à structure mixte partiellement recristallisée et à coeur d'une zone à structure complètement fibrée. Plus la température de sortie augmente, plus les zones35 recristallisées deviennent importantes. Ceci entraîne une légère diminution de la résistance à la rupture Rm et de la limite élastique R0,2 et une nette augmentation de l'allongement à la rupture A. Rm et R0,2 restent toutefois le plus souvent acceptables dans les applications existantes. On peut ainsi, en jouant sur la température de sortie, ajuster le compromis entre la résistance mécanique et l'allongement en5 fonction de l'application désirée. Si toutefois on souhaite éviter cette baisse de Rm et de R0,2, on peut ajouter à l'alliage des éléments antirecristallisants tels que Zr, Mn, Cr, V ou Hf. Les figures 2 à 6 sont des micrographies de sections droites10 de barres cylindriques en alliage 2024 de diamètre 20 mm filées selon le procédé de l'invention et traitées à l'état T351 avec les mêmes paramètres de filage, sauf la température d'entrée qui est successivement de 490 C, 500 C, 510 C, 520 C et 530 C. Pour chaque section, on a des micrographies de la15 zone périphérique, de la zone intermédiaire et de la zone à coeur faites aux mêmes endroits. On constate que, lorsque la température de filage augmente, la zone recristallisée augmente et la zone fibrée diminue. Exemples On a élaboré des billettes en alliage 2024, découpées en blocs de filage de diamètre 115 mmn et de longueur 400 mm, qui sont ensuite écroutés. On a préchauffé les blocs, par charge de 1225 à la fois, dans un four ventilé à 494 C pendant 6 h. Chacun des blocs est ensuite réchauffé individuellement dans un four à induction, à une vitesse de l /s, jusqu'à la température de filage comprise entre 500 et 530 C. Le filage a été réalisé sur une presse de 800 t, dans un30 conteneur de diamètre 125 mm, en utilisant des filières en acier Z38CDV5 traité 48 HRC. On a réalisé 4 sections de profilés: 1) un méplat de largeur 64 mm et d'épaisseur 4 mm. 2) un H d'épaisseur 4 mm et de hauteur et largeur identiques égales à 24 mm, avec un côté à angles vifs et, symétriquement opposé, un côté à angles arrondis. 3) un tube rond de diamètre extérieur 30 mm et d'épaisseur 3 mm. L'outillage était constitué d'une filière à face plate et à portée rapide, munie d'une aiguille à talon de diamètre 24 mm et de longueur 410 mm, légèrement conique et graphitée avant filage.5 4) un tube rectangulaire 30 x 15 mm d'épaisseur 5 mm, avec des angles internes vifs, 2 angles externes vifs et les 2 autres arrondis. On a utilisé un outillage à pont du type "porthole", avec 4 veines d'alimentation et des portées de plaquette légèrement10 convergentes. Le tableau 1 donne pour ces 4 sections le rapport de filage, la température d'entrée, la vitesse de filage et la pression de filage au début (pic) et à la fin. On constate, pour les 3 premières sections, o la comparaison15 est possible avec le filage classique, que la vitesse est toujours supérieure à 10 fois celle en filage classique pour un profilé de qualité au moins équivalente, et que la pression de filage est réduite d'au moins 50%. La quatrième section n'était pas réalisable dans des conditions économiques20 acceptables en filage classique. Profil Rapport Temp. Temp. Vitesse Pression Pression n filage entrée sortie filage entrée sortie oC C m/mn MPa MPa 1 48 520 540 25 730 370 2 48 522 560 9 730 315 3 48 530 550 10 600 370 4 28 530 580 40 620 250 REVENDICATIONS 1) Procédé de filage d'alliages d'aluminium, caractérisé en ce que le bloc d'alliage à filer est porté au début du filage à une température supérieure à la température de solidus telle que la fraction liquide dans le bloc soit comprise entre 0,1 et 2%, et que la température de sortie du filage est au moins égale à la température d'entrée. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de début de filage est supérieure d'au plus 30 C à la température de solidus de l'alliage. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage d'aluminium est un alliage à durcissement structural de la série 2000 ou 7000. 4) Procédé selon la revendication 3 comportant un traitement thermique du profilé filé par trempe et vieillissement naturel ou artificiel, caractérisé en ce que la trempe est réalisée directement en sortie de la presse à filer. ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bloc de filage est préchauffé dans un four à une température proche de la température de solidus, puis chauffé individuellement dans un four à induction jusqu'à la température visée pour le début du filage. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conteneur est chauffé à une température au moins égale à celle du bloc en début de filage. 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on utilise une filière à portées légèrement convergentes. 8) Outillage chauffant pour le filage des alliages d'aluminium comportant un porte-outillage (1), une filière (2), une contre- filière (3), une cale d'appui (4) et une cale de fond (5), caractérisé en ce que le porte- outillage (1) comporte un élément chauffant constitué d'une bobine (6) sur laquelle est enroulé un thermocoaxe (7) et que la filière (2) comporte un thermocouple (8) servant à la régulation de la température de chauffage. 9) Profilé creux non cylindrique en alliage 2000 ou 7000 réalisé par filage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. ) Profilé en alliage d'aluminium présentant successivement en section droite une première zone périphérique d'au moins 1 mm de largeur complètement recristallisée, puis une zone partiellement recristallisée et à coeur une zone complètement fibrée.