Brevet FR2826609A1 — publié le 20030103

La présente invention concerne un procédé de réalisation de jantes en alliage léger, notamment alliage d'aluminium, en particulier pour des véhicules automobiles. Plus particulièrement, l'invention propose un procédé de réalisation d'une jante qui présente des propriétés améliorées à la fois en termes de légèreté et de résistance mécanique, ainsi qu'une nouvelle jante présentant ces propriétés améliorées. Etat de la technique La plupart des jantes en alliage léger sont de nos jours réalisées monobloc par moulage, en utilisant le plus fréquemment une technique de remplissage du moule par le bas en basse pression, ou plus rarement par le haut en gravité. Ces deux techniques de remplissage présentent l'inconvénient de contraindre à piloter la solidification de l'alliage formant la jante tout au long de celle-ci et sur des distances importantes. Ainsi, typiquement, lors d'un remplissage en basse pression, la solidification doit être pilotée depuis le crochet de jante intérieur jusqu'au centre de la jante, au milieu de la face avant (située en partie basse du moule) au niveau de laquelle s'effectue le remplissage par le métal liquide en basse pression et où se termine la solidification. Un tel pilotage de la solidification est relativement peu problématique pour des jantes de petit diamètre (typiquement jusqu'à 15 pouces) ; il devient en revanche beaucoup plus délicat pour des jantes de diamètre supérieur, en raison de l'accroissement correspondant de la masse de métal. Un tel accroissement entraîne en effet un ralentissement des cadences de moulage et une plus grande difficulté à éviter les défauts de moulage du type retassure. Par ailleurs, les styles de jantes qui se développent fortement de nos jours sont les jantes de type dit full face selon la terminologie anglosaxonne, c'est-à-dire dont la face avant ne possède pas le retrait habituel par rapport au crochet extérieur de jante, mais vient au contraire approcher voire tangenter ce crochet de jante, ce qui crée une masse importante sous l'appui du pneumatique. La Figure la des dessins montre en demi-section axiale l'allure d'une telle jante full face Ja, la masse importante Ma précitée. Par comparaison, la Figure lb montre en demi-section axiale opposée l'allure d'une jante plus classique Jb. L'existence de cette masse Ma, difficile à solidifier rapidement, est préjudiciable non seulement à l'ensemble du procédé de production, car les cadences sont ralenties, mais également à l'allégement-toujours recherché car c'est l'un des atouts essentiels des jantes en alliage léger-car la structure de moule utilisée ne permet pas d'éviter ces masses importantes sous l'appui du pneumatique. On soulignera également que le moulage d'une jante monobloc présente l'inconvénient d'exiger des moules relativement complexes composés, comme représenté sur la Figure 2, d'une semelle S, d'un noyau supérieur NS et de chapes Cl et C2, la semelle définissant un chenal montant Ch pour l'alimentation en métal liquide sous basse pression. On notera pour terminer que l'utilisation d'un seul matériau, incontournable lors de la réalisation d'une jante monobloc, pose des problèmes en termes de résistance aux chocs et de comportement au test de cabossage, en particulier au niveau des crochets de jante, et il est alors nécessaire d'augmenter significativement l'épaisseur du matériau au niveau de ces crochets de jante. On a déjà proposé également depuis de nombreuses années de réaliser des jantes en deux parties. L'idée générale consiste à mouler la face avant (face extérieure) de la jante par un procédé de moulage d'alliage léger classique, notamment en basse pression, et à réaliser la bande de roulement dans un alliage de corroyage. Cependant, les techniques utilisées aujourd'hui sont mal adaptées à ce type de produit. Ainsi la bande de roulement est réalisée par exemple par un soudage en bout ( butt welding selon la terminologie anglo-saxonne) avant d'être laminée, dans une approche similaire à celle des jantes an acier. Après réalisation de cette pièce, la face avant préalablement usinée est alors rapportée à cette bande de roulement. Cette technologie connue présente de multiples inconvénients. En premier lieu, la Demanderesse a pu mettre en évidence que le soudage en bout n'était pas aisément réalisable pour des alliages à durcissement structural (tels que des alliages Al-Si-Mg de série 6000, sujets à un durcissement par précipitation lors d'un traitement thermique de mise en solutiontrempe-revenu), mais ne pouvait l'être dans la pratique que pour des alliages sans durcissement structural (tels que les alliages de série 5000). Or ces derniers alliages présentent l'inconvénient d'avoir un potentiel de résistance faible, qui ne dépasse pas celui des alliages de moulage habituellement utilisés tels que l'alliage connu sous la désignation AS7G (alliage d'aluminium à 7% en poids de silicium et 0,3% en poids de magnésium). Par ailleurs, les investissements nécessaires à cette technologie sont très lourds, non seulement pour le soudage en bout mais également pour la mise en forme ultérieure par laminage sur galets. Des variantes de cette technologie existent, et portent sur différents types de fixation entre la face avant et la bande de roulement, mais ces variantes ne résolvent pas les principaux problèmes évoqués ci-dessus, et en particulier le problème de la résistance mécanique de l'alliage utilisé pour la bande de roulement. Une autre technologie encore connue consiste à travailler à partir d'un flan circulaire qui est progressivement repoussé sur un mandrin pour réaliser une bande de roulement monobloc. Le fond du flan, inutile après formage de la bande de roulement, est alors découpé et perdu. On comprend que ceci rend le procédé extrêmement coûteux et économiquement inadapté au marché automobile de grande série. Résumé de l'invention La présente invention vise à proposer un procédé de réalisation d'une jante en alliage léger qui pallie ou tout au moins atténue les problèmes sus-mentionnés et qui permette d'obtenir une jante légère à un coût minimal, tout en gardant des propriétés mécaniques adéquates. Ainsi la présente invention propose selon un premier aspect un procédé de fabrication d'une jante en alliage léger, tel qu'un alliage à base d'aluminium, pour véhicule automobile, la jante comprenant une face avant et une bande de roulement soudées l'une à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - moulage de la face avant avec un alliage léger, - fourniture d'une bande en alliage à durcissement structural soudable, - cintrage de cette bande pour lui donner une forme généralement cylindrique, - soudage des extrémités en vis-à-vis de la bande cintrée avec fusion de la matière de la bande, - mise en forme de la bande par rétreint et/ou repoussage, pour former la bande de roulement, et - soudage de la face avant et de la bande de roulement l'une avec l'autre. Des aspects préférés, mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants : - l'opération de moulage de la face avant comprend la réalisation d'au moins un évidement de réduction de poids, venu de moulage. au moins un évidement se trouve d'un côté intérieur de la face avant. - au moins un évidement se situe au voisinage d'une zone de liaison entre la face avant et la bande de roulement. - au moins un évidement s'ouvre dans une direction de démoulage de la face avant. - l'étape de mise en forme de la bande est précédée d'une étape d'expansion de la bande, après soudage de ses extrémités l'une à l'autre. - l'étape de mise en forme est précédée d'une opération de mise en solution au moins partielle et de trempe. Selon un deuxième aspect, la présente invention propose une jante en alliage léger, tel qu'un alliage à base d'aluminium, pour véhicule automobile, la jante comprenant une face avant en alliage léger et une bande de roulement également en alliage léger soudées l'une à l'autre, caractérisée en ce que la bande de roulement est réalisée en alliage à durcissement structural soudable mis en forme. Des aspects préférés mais non limitatifs de cette jante sont les suivants : - sa face avant comprend au moins un évidement de réduction de poids, venu de moulage. au moins un évidement se trouve d'un côté intérieur de la face avant. - au moins un évidement se situe au voisinage d'une zone de liaison entre la face avant et la bande de roulement. - au moins un évidement s'ouvre dans une direction de démoulage de la face avant. - la jante possède deux crochets de jantes, dont l'un est formé au niveau de la face avant et dont l'autre est formé au niveau de la bande de roulement. Brève description des dessins D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés. Sur les dessins, outre les Figures 1 et 2 déjà présentées plus haut : la Figure 3a est une demi-vue de face d'une jante selon un exemple de réalisation de l'invention, la Figure 3b est une demi-vue en section axiale de la jante de la figure 3a, la Figure 4 est une vue en perspective d'une bande de roulement de la jante des Figures 3a et 3b, après deux premières étapes de cintrage et de soudage, et la Figure 5 illustre par trois sections transversales respectivement l'allure de la bande de roulement avant formage ultérieur, et les allures de la bande de roulement après deux opérations de mise en forme ultérieures. Description détaillée d'un mode de réalisation préféré On va maintenant décrire un procédé permettant de réaliser une jante en alliage léger constituée d'une face avant, présentant de préférence tous les allégements qu'autorise le seul moulage de cette face avant, et notamment des allégements de masse sous les appuis pour le pneumatique. Cette face avant est soudée avec une bande de roulement réalisée selon une gamme permettant d'utiliser un alliage de corroyage à durcissement structural quelconque pour autant qu'il soit soudable. Les Figures 3a et 3b des dessins illustrent une jante J réalisée selon l'invention en deux parties, à savoir une face avant 10 et une bande de roulement 20. a Figure 3 des dessins illustre le type d'allégement qui est réalisé de façon brute de moulage sur l'arrière de la face avant de la jante, en évitant, par rapport à la section monobloc de la figure la, de mouler le métal dans des zones 11 et 12 qui s'ouvrent, en sens parallèle à l'axe x-x, vers l'intérieur de la jante. La figure 3b montre également le crochet de jante avant CJ1, formé au niveau de la face avant 10 à proximité des évidements 11, 12, et le crochet de jante arrière CJ2, formé au niveau de la bande de roulement 20. Il est important de noter ici que le type de géométrie montré sur la figure 3b est susceptible d'être d'obtenu à l'aide de moules très simples, constitués par exemple de deux éléments, à savoir une semelle (c'est-àdire la partie inférieure du moule, réalisant la face avant de la jante avec son style choisi) et un noyau supérieur (réalisant la face arrière de la jante, et comportant des parties en saillie qui vont définir les zones d'allégement 11 et 12). Puisque la face avant 10 et la bande de roulement 20 sont réalisées séparément, contrairement au procédé de moulage monobloc basse pression ou autre mentionné en introduction, il est possible ici de refroidir très violemment la périphérie de la face avant, et d'obtenir de ce fait une finesse de microstructure accrue et des propriétés au niveau du noyau de la jante qu'il n'est pas possible d'obtenir en moulant une jante complète monobloc, l'avantage étant d'autant plus sensible que le diamètre de la jante est grand. A titre indicatif, on présente dans le tableau I ci-dessous les propriétés comparées d'une jante monobloc de 15 pouces moulée en basse pression conformément à l'art antérieur et d'une face avant seule, présentant le même style et également moulée en basse pression. Dans les deux cas, la température du métal dans le four était de 710oC, l'alliage utilisé était un alliage AS7G modifié avec 120 ppm de strontium, affiné au diborure de titane TiB2 et la vitesse de remplissage était de 7mbars/seconde. Après démoulage et ébavurage, on a appliqué aux deux pièces un traitement dit T6 comprenant les étapes suivantes : - mise en solution pendant 5 heures à 535 C, - trempe dans de l'eau à 50 C, - revenu pendant 3 heures 30 minutes à 160 C. Les propriétés obtenues, mesurées selon les tests de traction normalisés NF sur des éprouvettes de traction prises dans les bras de la jante, sont indiquées dans le tableau I ci-après. Tableau I Eprouvette Rm (MPa) RpO, 2 (MPa) A (%) (1) 278 220 5,5 (2) 285 192 13,0 (1) : Face avant de jante moulée monobloc (2) : Face avant moulée seule Les meilleures propriétés obtenues pour la face avant moulée seule s'expliquent par une moindre présence de micro-retassures, découlant d'un refroidissement plus efficace de la périphérie de la face avant. Il en résulte donc une microstructure améliorée qui est également favorable à la tenue en fatigue de la jante. Pour ce qui concerne maintenant la bande de roulement, la gamme utilisée est la suivante : à partir d'une tôle d'ébauche réalisée en alliage léger, découpée à l'épaisseur voulue (typiquement de l'ordre de 3 à 4,5 mm pour des jantes de 15 à 17 pouces, une bande est réalisée en cintrant la tôle pour lui donner une forme cylindrique et en la soudant bout à bout par une technique de soudage illustrée sur la figure 4. Cette technique est de préférence une technique de soudage par faisceau d'électrons, sous vide ou non, ou encore une technique de soudage M. I. G. (métal/gaz inerte) et ses différentes variantes, soudage M. I. G. Tandem, soudage au Laser ou encore soudage combiné M. I. G./Laser. Ainsi, selon cette technique de soudage, on évite le recours à la technique classique dite de butt welding mentionnée en introduction, et l'on peut travailler avec une grande variété d'alliages à durcissement structural soudables. La bande de roulement est ensuite soumise à une série d'opérations de mise en forme essentiellement par rétreint selon la succession suivante d'étapes : - élargissement préalable par expansion de la bande de roulement ; cette opération peut être réalisée sur un type quelconque d'expanseur connu, par exemple à segments ou encore à formes intérieures pressées l'une contre l'autre ; elle présente l'avantage, outre de faciliter la mise en forme ultérieure de la bande de roulement, de tester la qualité de sa soudure en bout avant toute opération ultérieure ; à cet égard, une mauvaise qualité de soudure se révélera à ce stade par des fissures au droit de la zone soudée ; - obtention de la géométrie finale par une série d'étapes de rétreint telles qu'illustrées à titre d'exemple sur la Figure 5, en partant d'une forme droite selon une direction a-a ; ces opérations sont réalisées sur un mandrin en acier de géométrie adaptée et sur des machines classiques de formage par rétreint (ou en variante par repoussage). De façon à bénéficier d'une aptitude optimale à la déformation propre aux alliages à durcissement structural, on travaille la bande de roulement dans les étapes de mise en forme ci-dessus de préférence à froid dans l'état dit T4 (mise en solution suivie d'une trempe) ou encore dans un état thermique correspondant à une mise en solution partielle, de façon à conserver un potentiel de durcissement structural ultérieur. Une fois ces opérations réalisées, la bande de roulement est soudée sur la face avant. De préférence, on utilise pour des raisons de poids une technique de soudage bout à bout telle que représentée sur la Figure 3b, le cordon de soudure étant indiqué en 30. D'autres techniques peuvent aussi être mises en oeuvre. En outre, pour assurer un bon positionnement mutuel de la face avant et de la bande de roulement, on peut prévoir un petit talon de centrage. Pour souder la face avant avec la bande de roulement, on peut utiliser les techniques de soudage classiques telles que soudage par faisceau d'électrons, soudage M. I. G. (métal/gaz inerte) et ses différentes variantes, soudage M. I. G. Tandem, soudage au Laser ou encore soudage combiné M. I. G./Laser. Avantageusement, cette opération de soudage est précédée d'un léger usinage de la bande de roulement au niveau de la zone de soudage, ce qui permet d'obtenir une surface propre et dimensionnellement bien calibrée. Dans un même esprit, un léger usinage de l'autre côté de la bande de roulement permet de garantir un bon aspect de surface et une excellente précision dimensionnelle. L'homme du métier saura sans difficulté choisir les réglages de l'opération de soudage de façon à minimiser les déformations de la jante, pour ne pas avoir à réusiner la jante après cette opération. La jante est alors prête pour les opérations finales habituelles de traitement de surface, application de peinture et cuisson, puis contrôle. A cet égard, l'obtention des caractéristiques mécaniques finales résulte de préférence d'un revenu réalisé simplement par l'opération de cuisson de la peinture appliquée sur la totalité de la jante (après soudage de la face avant avec la bande de roulement et après le traitement de surface), typiquement pendant 20 minutes à une température de l'ordre de 160 à 185 C. Il est bien entendu possible en variante de réaliser un revenu de façon séparée de cette cuisson, et/ou de réaliser ce revenu sur la bande de roulement seule, avant soudage sur la face avant. Dans ce dernier cas, la face avant subit de son côté, le cas échéant, un traitement thermique propre tel que mise en solution et trempe. On notera ici qu'il est préférable d'éviter une mise en solution et une trempe après l'opération de soudage de la bande de roulement sur la face avant, ceci pour éviter des déformations relativement importantes engendrées par la trempe, qui nécessiteraient un nouveau recuit de l'ensemble de la jante, et donc de la bande de roulement. A titre d'exemple, on trouvera dans le tableau II ci-dessous les propriétés comparées d'une bande de roulement en creux de jante appartenant à une jante moulée monobloc telle que décrite dans la partie introductive de la présente demande, d'un diamètre de 15 pouces, réalisée en alliage de moulage AS7G, et d'une bande de roulement appartenant à une jante de même diamètre réalisée selon l'invention. La bande de roulement de la jante selon l'invention a été réalisée avec la succession d'étapes suivante : - découpe d'une tôle d'origine en alliage 6081 (désignation selon l' Aluminium Association américaine), d'une épaisseur de 4 mm, - cintrage en un cylindre, - soudage du cylindre par procédé M. I. G. tandem, - mise en forme ultérieure selon les étapes illustrées sur la Figure 5, pour obtenir une bande de roulement d'une épaisseur d'environ 3 mm en creux de jante (à proximité de la soudure 30) et d'une épaisseur de 4 à 4,5 mm dans la zone du crochet CJ2, - revenu à 185 C, pratiqué sur la seule bande de roulement avant son soudage sur la face avant. Tableau II Eprouvette Rm (MPa) RpO, 2 (MPa) A (%) (1) 269 203 4,5 (2) 260 210 16,0 (1) : Bande de roulement en creux de jante sur jante monobloc (2) : bande de roulement en creux de jante sur jante deux parties selon l'invention Il résulte des tableaux I et II ci-dessus qu'une jante réalisée en deux parties conformément à la présente invention est capable de satisfaire sensiblement aussi bien qu'une jante monobloc à des cahiers des charges courants. Si maintenant l'on compare en termes de poids ces deux mêmes jantes de 15 pouces, on observe un gain de poids significatif ; concrètement, la roue monobloc de l'art antérieur va peser environ 7,9 kg, tandis que la jante en deux parties selon l'invention va peser environ 6,5 kg, soit un gain de poids de près de 20% ce qui est considérable. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite et illustrée, et l'homme du métier saura y apporter de nombreuses variantes ou modifications. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une jante (J) en alliage léger, tel qu'un alliage à base d'aluminium, pour véhicule automobile, la jante comprenant une face avant (10) et une bande de roulement (20) soudées l'une à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - moulage de la face avant (10) avec un alliage léger, - fourniture d'une bande en alliage à durcissement structural soudable, - cintrage de cette bande pour lui donner une forme généralement cylindrique, - soudage des extrémités en vis-à-vis de la bande cintrée avec fusion de la matière de la bande, - mise en forme de la bande par rétreint et/ou repoussage, pour former la bande de roulement (20), et - soudage de la face avant et de la bande de roulement l'une avec l'autre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de moulage de la face avant (10) comprend la réalisation d'au moins un évidement de réduction de poids (11,12), venu de moulage. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins un évidement (11,12) se trouve d'un côté intérieur de la face avant (10). 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'au moins un évidement (11,12) se situe au voisinage d'une zone de liaison entre la face avant (10) et la bande de roulement (20). 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un évidement (11,12) s'ouvre dans une direction de démoulage de la face avant. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape de mise en forme de la bande est précédée d'une étape d'expansion de la bande, après soudage de ses extrémités l'une à l'autre. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape de mise en forme est précédée d'une opération de mise en solution au moins partielle et de trempe. 8. Jante (J) en alliage léger, tel qu'un alliage à base d'aluminium, pour véhicule automobile, la jante comprenant une face avant (10) en alliage léger et une bande de roulement (20) également en alliage léger soudées l'une à l'autre, caractérisée en ce que la bande de roulement (20) est réalisée en un alliage à durcissement structural soudable mis en forme. 9. Jante selon la revendication 8, caractérisée en ce que la face avant (10) comprend au moins un évidement (11,12) de réduction de poids, venu de moulage. 10. Jante selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'au moins un évidement (11,12) se trouve d'un côté intérieur de la face avant. 11. Jante selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisée en ce qu'au moins un évidement (11,12) se situe au voisinage d'une zone de liaison entre la face avant et la bande de roulement. 12. Jante selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'au moins un évidement (11,12) s'ouvre dans une direction de démoulage de la face avant. 13. Jante selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisée en ce qu'elle possède deux crochets de jante (CJ1, CJ2), dont l'un (CJ1) est formé au niveau de la face avant (10) et dont l'autre (CJ2) est formé au niveau de la bande de roulement (20).