Brevet FR2836929A1 — publié le 20030912

Tôle ou bande en alliage Al-Mg pour la fabrication de pièces pliées à faible rayon de pliage Domaine de l'invention L'invention concerne la fabrication de pièces pliées à faible rayon de pliage, et le plus souvent embouties, destinées notamment à la construction automobile, à partir de tôles ou bandes en alliage d'aluminium du type aluminium-magnésium, c'est-àdire de la série 5000 selon la nomenclature de l'Aluminum Association. Etat de la technique Les alliages aluminium-magnésium à plus de 4% de magnésium sont largement utilisés en construction automobile pour des pièces autres que les peaux de carrosserie, par exemple des renforts ou des pièces de structure, éventuellement mises en forme par emboutissage ou pliage. Ils permettent une bonne résistance mécanique sans nécessiter, comme les alliages de peau de la série 6000, de traitement thermique de mise en solution et trempe. On peut citer, par exemple, les alliages 5019,5182 et 5083, dont la composition (% en poids) enregistrée à l'Aluminum Association est indiquée au tableau 1 : Tableau 1 Alliage Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn 5019 0, 40 50 0, 10 0, 1-0,6 4,5-5, 6 20 0, 20 5182 20 0, 35 15 0, 2-0, 5 4, 0-5,0 0, 10 25 5083 0, 40 0, 40 0, 10 0, 4-1,0 4,0-4, 9 0, 05- 25 0,25 Problème posé La fabrication de pièces embouties et pliées nécessite un matériau présentant une formabilité suffisante pour réaliser les parties embouties des pièces, et une aptitude au pliage d'autant meilleure qu'on souhaite obtenir des rayons de pliage très faibles, typiquement de l'ordre de l'épaisseur de la tôle. Cette aptitude doit être aussi bonne dans le sens du laminage que dans le sens perpendiculaire. La tôle ou la bande doit présenter une résistance mécanique aussi élevée que possible de manière à réduire au maximum l'épaisseur, et d'obtenir ainsi l'effet d'allègement optimal résultant de l'utilisation de l'aluminium par rapport à l'acier. Par ailleurs, les pièces de véhicules automobiles sont soumises à un traitement thermique lors de la cuisson des peintures de la carrosserie, qui se fait à une température comprise entre 150 et 200 C pendant 15 à 30 mn. Il faut donc tenir compte de la perte éventuelle de résistance mécanique au cours de cette opération, et il est souhaitable que cette dégradation soit la plus faible possible. L'invention a pour but des tôles et bandes en alliage Al-Mg permettant de satisfaire ces exigences. Objet de l'invention L'invention a pour objet une tôle ou bande en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, destinée à la fabrication de pièces embouties et pliées à faible rayon de pliage, de composition (% en poids) : Si 215 MPa, un allongement Ago > 15%, et une différence Rm-Ro, 2 > 80 MPa. De préférence, on a Si L'invention a également pour objet une tôle ou bande de composition préférentielle : Si 240 MPa, A80 > 15% et Rm- Ro, 2 > 90 MPa. Elle a également pour objet un procédé de fabrication d'une telle tôle ou bande, comportant la coulée d'une plaque de la composition ci-dessus, son laminage à chaud jusqu'à une épaisseur ec, le laminage à froid jusqu'à une épaisseur finale ef comprise entre 70 et 40% de ec, et un recuit de restauration à une température comprise entre 180 et 280 C sans écrouissage ultérieur. Description des figures La figure unique illustre les résultats de l'exemple 1 en limite d'élasticité RO, 2 et rayon de pliage. Description de l'invention L'invention repose sur la combinaison de la sélection étroite d'une composition d'alliage Al-Mg à plus de 4% de Mg, et d'une gamme de fabrication particulière pour obtenir un compromis de propriétés, notamment entre la limite d'élasticité, l'allongement et l'aptitude au pliage, particulièrement favorable à la réalisation de pièces embouties et pliées avec un faible rayon de pliage. Les alliages selon l'invention sont des alliages à plus de 4% de Mg comme les alliages 5182,5019 ou 5083 mentionnés plus haut, et de préférence à plus de 4,5%. Le magnésium contribue à la résistance mécanique et on peut en ajuster la teneur en fonction de la résistance mécanique désirée. Au-delà de 5,5% de Mg, l'alliage devient plus difficile à couler et à mettre en oeuvre. Une composition particulièrement bien adaptée est la suivante : Si Le procédé de fabrication des bandes selon l'invention comporte la coulée d'une plaque de l'alliage considéré, son laminage à chaud pour obtenir une bande d'épaisseur ec, puis son laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale ef, comprise entre F 1 et 5 mm. Pour obtenir les propriétés désirées, l'épaisseur finale ef doit être comprise entre 40 et 70% de l'épaisseur de la bande laminée à chaud ec. Si le taux de laminage à froid est insuffisant, on ne peut pas atteindre la limite d'élasticité souhaitée. S'il est trop important, le coefficient d'écrouissage n devient trop faible et la formabilité est insuffisante. La bande laminée à froid subit ensuite un recuit de restauration à une température comprise entre 180 et 280 C. Le contrôle de cette température est important : une absence de restauration ou une température trop faible nuit à l'allongement. Inversement, une température de recuit supérieure à 280 C conduit à un état recristallisé, avec une résistance mécanique insuffisante. Une caractéristique essentielle du procédé de fabrication des bandes et tôles selon l'invention est l'absence de réécrouissage après le recuit de restauration, soit par laminage à froid, soit par planage sous tension. Certes, un tel écrouissage augmenterait la limite d'élasticité, mais réduirait trop l'allongement et le coefficient d'écrouissage, ce qui serait défavorable à la formabilité et à l'aptitude au pliage. De plus, le gain en limite d'élasticité est perdu très rapidement lors du traitement de cuisson des peintures, alors que pour les produits restaurés et non réécrouis, la perte de résistance mécanique à la cuisson des peintures est plus réduite. Un autre avantage de l'absence d'écrouissage, notamment par planage, après restauration est d'obtenir des tôles et bandes présentant une faible anisotropie, avec une différence entre les limites d'élasticité dans les sens L et T de moins de 15 MPa, et le plus souvent de moins de 10 MPa.. Pour éviter de ré-écrouir le métal après restauration, il est nécessaire de bien maîtriser la planéité de la bande lors du laminage à froid, et surtout lors du parachèvement, notamment lors du refendage de bandes relativement étroites d'épaisseur assez forte, où il faut éviter les déformations du type lame de sabre . Les tôles et bandes selon l'invention sont particulièrement bien adaptées à la fabrication de pièces embouties et pliées à faible rayon de pliage, notamment pour l'industrie automobile. On obtient des rayons de pliage à 180'inférieurs à l'épaisseur de la tôle ou de la bande, voire inférieurs à 80% de cette épaisseur. Le coefficient d'écrouissage n est supérieur à 0,10, ce qui contribue à l'augmentation rapide de la résistance mécanique des pièces lors de leur mise en forme, et donc à l'utilisation d'épaisseurs plus faibles. .. 1 On peut mentionner à titre d'exemple d'utilisation les renforts d'ouvrants anti- intrusion qui comportent des parties embouties et pliées, et qui sont soumis au traitement de cuisson des peintures, notamment des couches de cataphorèse. Pour un traitement de 20 mn à 200 C, la perte de limite d'élasticité reste inférieure à 20 MPa. Une autre utilisation intéressante des tôles et bandes selon l'invention est la fabrication de crics, qui permettent un gain de poids important par rapport aux crics en acier. Exemples Exemple 1 On a coulé des plaques en 7 alliages différents A à G, les alliages A à E ayant une composition selon l'invention, et les alliages F et G une composition hors invention. Les compositions (% en poids) sont indiquées au tableau 1 : Tableau 1 Alliage Mg Mn Cu Si Fe A 4, 62 0, 37 0, 06 0, 13 0, 30 B 4, 76 0, 36 0, 05 0, 10 0, 31 C 4, 61 0, 35 0, 05 0, 14 0, 37 D 4, 53 0, 36 0, 05 0, 09 0, 29 E 5, 18 0, 35 0, 06 0, 11 0, 18 F 4, 58 0, 27 0, 02 0, 04 0, 17 G 5, 10 0, 81 0, 05 0, 11 0, 24 Les plaques ont été laminées à chaud pour obtenir des bandes d'épaisseur 5 mm, puis laminées à froid jusqu'à 3mm, soit 60% de l'épaisseur de la bande à chaud. Les bandes ont subi un recuit de restauration à 200 C. On a mesuré la limite d'élasticité RO, 2 sens L, l'allongement à la rupture Ago selon la norme NF EN 10002-1 relative aux essais de traction sur matériaux métalliques, et le rayon de pliage à 180 . Les résultats sont indiqués au tableau 2 : Tableau 2 Alliage RO, 2 (MPa) Ago (%) Rayon pliage (mm) A 239 15, 5 1, 8 B 223 16, 2 1, 5 C 225 17, 5 1, 4 D 220 16, 5 1, 7 E 258 16, 8 2, 0 F 235 16, 9 2, 5 G 279 12, 2 2, 8 On constate que l'alliage à Mn élevé H a un allongement Les points correspondant aux 5 alliages selon l'invention sont à gauche de la droite, et montrent un bon compromis entre les deux propriétés. Les points correspondant aux alliages F et G sont à droite de la droite et ne présentent donc pas un compromis acceptable. Exemple 2 On a effectué un traitement thermique de 20 mn respectivement à 170 C, 185 C et 200 C, simulant des traitements de cuisson des peintures d'un véhicule automobile, sur des échantillons de tôle de l'exemple 1 en alliage C et E, et sur un échantillon de l'alliage C ayant subi en plus un écrouissage par planage par traction. On a mesuré les caractéristiques mécaniques dans le sens long, à savoir la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité RO, 2 et l'allongement Aso, avant et après traitement thermique. Les résultats sont indiqués aux tableaux 3 (pour l'alliage C restauré), 4 (pour E) et 5 (pour C écroui). Tableau 3 (C non écroui) Cuisson Sans 20 mn 170 C 20 mn 185 C 20 mn 200 C Rm (MPa) 325 316 314 313 RO, 2 (MPa) 225 212 210 208 Aso (%) 17,5 16, 6 18, 5 19, 0 Tableau 4 (E non écroui) Cuisson Sans 20mnl70 C 20mnl85 C 20mn200 C Rm (MPa) 355 351 353 351 Ro, 2 (MPa) 258 254 256 254 Aso (%) 16, 8 16, 2 16, 6 16, 7 Tableau 5 (C écroui) Cuisson Sans 20 mn 170 C 20 mn 185 C 20 mn 200 C Rm (MPa) 328 320 315 313 Ro, 2 (MPa) 242 214 210 207 Aso (%) 14,9 16, 0 17, 2 18, 7 On constate que la chute de Ro, 2 due au traitement thermique est beaucoup plus faible pour les échantillons non écrouis que pour l'échantillon écroui. Exemple 3 Sur les échantillons C et E de l'exemple 1, on a mesuré les caractéristiques mécaniques Rm, RO, et Ago dans le sens long, à 45 et dans le sens travers. Les résultats sont indiqués au tableau 6 : Tableau 6 C long C450 C travers E long E450 E travers Rm (MPa) 324 325 324 357 347 352 Ro, 2 (MPa) 225 229 230 258 247 255 Aso (%) 17, 5 19, 1 18, 2 16, 8 16, 6 16, 1 On constate que les caractéristiques mécaniques, notamment la limite d'élasticité, varient très peu en fonction du sens de la mesure. Exemple 4 On a coulé des plaques en alliage de composition : Si Fe Mn Mg Cu Cr 0, 12 0, 18 0, 33 4, 57 0, 04 0, 06 On a fait varier l'épaisseur de sortie du laminage à chaud, l'épaisseur finale restant à 3 mm, de sorte qu'on a fait varier le rapport erlec entre 70% et 40%. On a également fait varier la température de recuit final entre 200 et 320 C. Aucun écrouissage postérieur au recuit final n'a été effectué. On a mesuré dans chacun des cas la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité RO, 2, l'allongement A et le coefficient d'écrouissage n. Les résultats, correspondant à la moyenne de 5 mesures, sont indiqués au tableau 7 : Tableau 7 eie, (%) 200 C 230 C 260 C 290 C 320 C 70 Rm (MPa) 305 304 296 289 266 RO, 2 (MPa) 209 207 197 179 126 Ago (%) 16, 4 17,8 18,7 21,4 25,5 n 0,168 0,172 0,178 0,203 0,309 60 Rm (MPa) 317 313 307 285 267 Ro, 2 (MPa) 228 222 216 166 132 Aso (%) 15, 9 17,5 18,7 23,6 25,9 n 0,155 0,157 0,165 0,242 0,312 50 Rm (MPa) 339 332 333 283 268 Ro, 2 (MPa) 261 253 244 161 138 Aso (%) 15, 2 17,1 18,6 24,6 27,0 n 0,135 0,141 0, 155 0,262 0,307 40 Rm (MPa) 338 330 337 278 268 Ro, 2 (MPa) 260 251 248 156 142 Aso (%) 14,5 16,1 18,9 25,0 25,9 n 0,133 0,137 0,156 0,274 0,304 On constate une chute importante de Rm et surtout de RO, 2 lorsque la température du recuit final passe de 260 à 290 C, ce qui correspond au passage à la température de recristallisation. Par ailleurs, à température de restauration donnée, on constate que, lorsque le rapport ef/ec diminue, c'est-à-dire lorsque le laminage à froid est plus important, RO, 2 augmente, mais l'allongement et le coefficient d'écrouissage n diminuent. Revendications 1. Tôle ou bande en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, destinée à la fabrication de pièces embouties et pliées à faible rayon de pliage, de composition (% en poids) : Si Ro, 2 > 215 MPa, un allongement A80 > 15%, et une différence Rm-Ro, 2 > 80 MPa. 2. Tôle ou bande selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en fer est comprise entre 0,2 et 0,4%. 3. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,3 et 0,45%, et la teneur en chrome inférieure à 0, 1%. 4. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en magnésium est comprise entre 4,5 et 5,5%. 5. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la composition de l'alliage est : Si Cr : 0, 04-0, 1 Mg : 4, 5 - 5, 5 Cu 0,05 chacun et 6. Tôle ou bande selon la revendication 5, caractérisée en ce que RO, sens T > 240 MPa, A80 > 15% et Rm - RO, 2 > 90 MPa. 7. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que son rayon de pliage à 180 est inférieur à son épaisseur. 8. Tôle ou bande selon la revendication 7, caractérisée en ce que son rayon de pliage est inférieur à 80% de son épaisseur. 9. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la différence entre la limite d'élasticité sens L et sens T est inférieure à 15 MPa. 10. Tôle ou bande selon la revendication 9, caractérisée en ce que la différence entre la limite d'élasticité sens L et sens T est inférieure à 10 MPa. 11. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la différence entre la limite d'élasticité avant et après un traitement de cuisson de peinture de 20 mn à 185 C est inférieure à 20 MPa. 12. Procédé de fabrication d'une tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 11, comportant la coulée d'une plaque, son laminage à chaud jusqu'à une épaisseur ec, le laminage à froid jusqu'à une épaisseur finale ef comprise entre 70 et 40% de ec, et un recuit de restauration à une température comprise entre 180 et 280 C sans écrouissage ultérieur. 13. Utilisation de tôles ou bandes selon l'une des revendications 1 à 11 pour la fabrication de renforts d'ouvrant de véhicule automobile. 14. Utilisation de tôles ou bandes selon l'une des revendications 1 à 11 pour la fabrication de crics.