Brevet FR2856368A1 — publié le 20041224

Pièce de peau de carrosserie automobile en tôle d'alliage AI-Si-Mg fixée sur structure acier Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des pièces de peau de peau de carrosserie de voitures, telles que des ailes, des portes, des hayons, des capots ou des toits, 10 rapportés sur une structure en acier, réalisées à partir de tôles en alliage AI-Si-Mg, de la série 6000 selon la désignation de l'Aluminum Association. Etat de la technique L'aluminium est utilisé de manière croissante dans la construction automobile pour réduire le poids des véhicules et ainsi réduire la consommation de carburant et les rejets de polluants et de gaz à effets de serre. Plutôt que d'aboutir directement à une caisse en blanc complètement en aluminium, on n'utilise souvent l'aluminium que pour certaines parties de la carrosserie. Ainsi, il est maintenant courant de trouver des 20 ouvrants en aluminium, tels que des capots ou des portes, associés à des structures acier. Les alliages couramment utilisés pour ces applications sont le 6016 en Europe et le 6111 aux Etats-Unis. Il s'agit dans ce cas de pièces rapportées, en général à l'aide de charnières, à la caisse acier. On trouve également des pavillons rapportés après peinture. Il est moins 25 courant de trouver des pièces en aluminium assemblées à des éléments de structure acier au cours du ferrage et avant traitement de cataphorèse, même si quelques pièces comme des renforts de portes ou des façades avant existent aujourd'hui. Ces pièces sont en général de petites dimensions, et le problème de dilatation différentielle entre l'aluminium et l'acier au cours de traitements thermiques de cataphorèse ou de 30 cuisson des peintures est négligeable. Par ailleurs ces pièces ne constituent pas des pièces d'aspect. Il existe aujourd'hui une forte demande pour utiliser des pièces de grande dimension, par exemple des pavillons de toit en alliage d'aluminium fixés sur structure acier avant peinture. En plus des propriétés habituelles exigées des alliages de peau, à savoir: - une formabilité élevée pour les opérations d'emboutissage et de sertissage, - une limite d'élasticité contrôlée à l'état de livraison de la tôle pour maîtriser le retour élastique, - une résistance mécanique élevée après cuisson des peintures pour obtenir une bonne résistance à l'indentation tout en minimisant le poids de la pièce, - une bonne résistance à la corrosion, notamment la corrosion filiforme, de la pièce peinte, i0 - une bonne qualité de surface après mise en forme et peinture, - un bon comportement dans les divers procédés d'assemblage utilisés en carrosserie automobile tels que le soudage par points, le soudage laser, le collage, le clinchage ou le rivetage, - une compatibilité avec les exigences du recyclage des déchets de fabrication ou 15 des véhicules recyclés, - un coût acceptable pour une production en grande série, l'utilisation de telles pièces exige en plus d'éviter les déformations permanentes visibles dues à la dilatation différentielle entre l'aluminium et l'acier au cours des opérations de cataphorèse et cuisson des peintures. 20 Objet de l'invention Le but de la présente invention est de fournir des tôles en alliage d'aluminium pour peau de carrosserie automobile présentant une composition adaptée au recyclage, une 25 formabilité suffisante pour emboutissage profond en conditions sévères, une résistance à l'indentation, tout en maîtrisant le retour élastique, une bonne aptitude au collage, une découpe sans formation de paillettes, une bonne résistance à la corrosion filiforme et surtout un comportement amélioré par rapport à l'art antérieur en déformation résiduelle après cataphorèse. L'invention a pour objet une pièce de peau de carrosserie de voiture, d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1,2 mm, en alliage de composition (% en poids): Si:0,7-1,3 Fe L'alliage contient de préférence de 0,7 à 1% Si, de 0,8 à 1,1% Cu, de 0, 45 à 0,6% 10 Mn, de 0,6 à 0,9% Mg, de 0,15 à 0,3% Zn. L'invention a également pour objet un élément de carrosserie de voiture comportant au moins une pièce en alliage de la composition précédente fixée avant peinture sur une pièce en acier. Description des figures La figure 1 représente, en perspective, le cadre acier simulant une caisse de voiture, utilisé pour mesurer les déformations induites par la dilatation différentielle d'un pavillon en alliage d'aluminium fixé sur ce cadre. La figure 2 représente le profil de déformation après traitement de cataphorèse du pavillon en différents alliages fixé sur le cadre acier. Description de l'invention La composition mentionnée ci-dessus correspond à celle de l'alliage 6056, enregistré à l'Aluminum Association en 1988. Elle correspond approximativement à la composition du produit filé, matricé ou éventuellement laminé décrit dans le brevet EP 0173632 de Cegedur Pechiney. La description et les exemples de ce brevet ne concernent que l'application aux produits filés. Cet alliage a également été proposé 30 pour des tôles destinées au fuselage d'avions commerciaux, comme mentionné dans les brevets EP 0787217 et EP 1143027 au nom de la demanderesse. Son utilisation comme alliage de peau de carrosserie automobile n'ajamais été envisagée. La demanderesse a constaté que, de manière inattendue, l'utilisation d'un tel alliage permettait de réduire de manière significative les inconvénients liés à la différence de dilatation avec l'acier. La composition de l'alliage 6056 diffère notamment de celle de l'alliage 6111 par 5 une teneur plus élevée en manganèse et par une addition de zinc. L'addition de 0,1 à 0,7% de zinc contribue à une amélioration de la résistance à la corrosion filiforme de la pièce peinte. La demanderesse a constaté que l'augmentation de la teneur en manganèse au-delà de 0,4% entraînait une augmentation de la limite d'élasticité à la température du traitement de cataphorèse (typiquement de l'ordre de 190 C), au10 dessus de 200 MPa pour des tôles d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1 mm, de sorte que la pièce conserve un comportement plus élastique à la déformation, ce qui réduit l'apparition de plis ou autres défauts dus à la différence de dilatation entre l'acier et l'alliage d'aluminium. Par ailleurs, les tôles en 6056 présentent à la fois une limite d'élasticité plus faible à 15 l'état T4 que les tôles en 6111, typiquement inférieure à 170 MPa, voire 160 MPa, pour des tôles d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1,2 mm, ce qui leur confère une meilleure formabilité. Par contre, la limite d'élasticité est plus élevée après le traitement de cuisson des peintures, typiquement plus de 220 MPa, ce qui améliore la résistance à l'indentation, ou permet une réduction des épaisseurs à résistance égale. 20 Le procédé de fabrication des tôles destinées aux pièces selon l'invention comporte typiquement la coulée d'une plaque, éventuellement le scalpage de cette plaque, et son homogénéisation ou un simple réchauffage à une température comprise entre 400 et 570 C d'une durée entre 6 et 24 h. La bande laminée à chaud est ensuite laminée à froid jusqu'à l'épaisseur finale, avec éventuellement un recuit intermédiaire à une 25 température comprise entre 300 et 450 C s'il est effectué en four batch, ou entre 350 et 570 C s'il est effectué en continu. La dernière passe de laminage à froid peut être effectuée avec un cylindre texturé, par exemple par traitement par faisceau d'électrons (EBT), par électro-érosion (EDT) ou par faisceau laser, ce qui améliore la formabilité et l'aspect de surface de la pièce formée après peinture. Il est également possible d'utiliser des bandes obtenues directement par coulée continue, soit entre deux cylindres, soit entre deux courroies, et d'effectuer le laminage à froid et les opérations ultérieures dans les mêmes conditions. La mise en solution se fait à une température au-delà de la température de solvus de l'alliage, tout en évitant la brûlure. La tôle mise en solution est ensuite trempée, généralement à l'eau froide ou à l'air. La tôle est le plus souvent stockée à ce stade pendant un temps plus ou moins long, 5 ce qui conduit à une maturation naturelle qui fait augmenter la limite d'élasticité au fil du temps. Après 3 semaines de maturation, les tôles selon l'invention présentent, à une épaisseur de l'ordre de 0,9 à 1 mm, une limite d'élasticité sens L de l'ordre de 150 MPa, et reste toujours en dessous de 170 MPa, voire 160 MPa,. La tôle peut être, avant mise en forme, revêtue d'un lubrifiant, huile ou lubrifiant sec, adapté à 10 l'emboutissage, l'assemblage et le traitement de surface de la pièce à réaliser. La pièce de peau de carrosserie est généralement réalisée par découpe d'un flan dans la tôle, emboutissage de ce flan et détourage à la presse. Après emboutissage la pièce est assemblée à la caisse en acier avant de recevoir une ou plusieurs couches de peinture, avec pour chacune une étape de cuisson. L'étape critique est la cuisson de 15 la couche de cataphorèse, qui se fait généralement à une température comprise entre et 200 C, pendant 15 à 30 mn. A la température de la cataphorèse, les tôles embouties suivant l'invention présentent une limite élastique de l'ordre de 220 MPa, alors que celle des alliages de type 6016 utilisés habituellement en Europe pour les peaux de carrosserie est comprise entre 130 et 160 MPa. Elle est également plus 20 élevée d'environ 15% que celle du 6111 utilisé en Amérique du Nord. Mesurée à froid, la limite élastique peut atteindre 250 MPa suivant l'invention, contre 170 à 200 MPa pour les tôles de peau classiques en 6016, et elle dépasse largement celle du 6111. Les pièces selon l'invention présentent également après peinture une bonne 25 résistance à la corrosion filiforme, meilleure que celle des alliages sans manganèse ni zinc comme l'alliage 6111. Exemples Exemple 1 On a coulé en plaques d'épaisseur 500 mm 4 alliages représentant 2 alliages de type 6016 couramment utilisés en Europe pour des pièces de peau de carrosserie (DR100 et DR130 de Pechiney Rhenalu), un alliage de type 6111 et un alliage 6056 pour fabriquer des pièces selon l'invention. Les compositions en % en poids sont indiquées au tableau 1: Tableau 1 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn DR100 1,00 0,28 0,12 0,11 0,30 0,03 DR130 1,03 0,29 0,17 0,17 0,42 0,04 6111 0,63 0,11 0,69 0,17 0,78 0,07 6056 0,85 0,07 1,0 0,45 0,75 0,02 0,16 Les plaques ont été scalpées, homogénéisées 10 h à 570 C, puis laminées à chaud directement sur chaleur d'homogénéisation, d'abord sur un laminoir réversible, puis 10 sur un laminoir tandem. La température de début de laminage était de l'ordre de 540 C, la température de bobinage de la bande à chaud de l'ordre de 310 C. Les bandes ont été ensuite laminées à froid jusqu'à l'épaisseur de 1 mm, puis mises en solution à une température de 570 C, refroidies et vieillies naturellement à l'état T4. On a mesuré les caractéristiques mécaniques: résistance à la rupture Rm (en MPa), 15 limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% R0,2 (en MPa) et allongement à la rupture A (en %), à cet état T4, après traitement de cataphorèse de 20 mn à 190 C, ainsi que les caractéristiques mécaniques à 190 C au début et à la fin de la cataphorèse. Les résultats sont rassemblés aux tableaux 2 et 3. Tableau 2 (caractéristiques mécaniques à froid) Rm | R0,2 A Rm R0,o2 A Etat T4 après cuisson peinture DR100 201 97 24,6 246 170 12,0 DR130 241 126 24,7 288 201 17,3 6111 314 179 25,3 318 212 18,1 6056 303 146 27,6 355 247 15,5 On constate qu'à l'état T4, l'alliage 6056 conduit à une résistance mécanique plus faible et un allongement plus grand que l'alliage 6111, ce qui améliore la formabilité à l'emboutissage des pièces. Après cuisson des peintures, la résistance mécanique est au contraire plus élevée, ce qui conduit à une meilleure résistance à l'indentation. Tableau 3 (caractéristiques mécaniques à 190 C) Rm RO,2 A Rm R0,2 A Début de la cataphorèse Fin de la cataphorèse DR100 150 100 27,0 167 129 26,1 DR130 181 128 30,4 196 153 30,4 6111 241 159 21,6 253 191 21,5 6056 262 168 23,7 280 223 23,6 On constate que l'alliage 6056 conduit à une meilleure résistance mécanique à 190 C aussi bien au début qu'à la fin du traitement de cataphorèse, avec notamment une augmentation de 16% de la limite d'élasticité. Exemple 2 La déformation après cataphorèse est mesurée à partir d'un montage d'une pièce en alliage d'aluminium sur un cadre acier et mesure des déformations induites. La pièce en alliage d'aluminium, simulant un pavillon de toit de voiture, est une tôle de 20 longueur 1630 mm, de largeur 930 mm et d'épaisseur 1,2 mm, galbée avec une flèche de 30 mm. Le cadre en acier, représenté à la figure 1 et simulant une caisse de voiture, est réalisé en tubes d'acier de section carrée 50 x 50 mm et d'épaisseur 3mm. Il comprend, en plus du cadre de mêmes dimensions que le pavillon, 4 traverses de largeur 100 mm et d'épaisseur 3 mm: une traverse avant, une traverse arrière et deux 25 traverses intermédiaires. L'assemblage de la tôle sur le cadre se fait par 17 rivets espacés de 100 mm de chaque côté, 11 rivets espacés de 75 mm sur la traverse avant et sur la traverse arrière. L'ensemble a été soumis à une température de 195 C pendant 30 mn. On enregistre les déformations du métal selon l'axe du véhicule après retour à la température ambiante. On a fait l'essai pour des tôles dans chacun des 4 alliages essayés à l'exemple 1. Les courbes longitudinales de déformation sont représentées à la figure 2. On constate que l'amplitude des plis est la plus faible pour la tôle en 6056. Revendications 1. Pièce de peau de carrosserie de voiture en tôle d'épaisseur comprise entre 0,8 et 1,2 mm, de composition (% en poids) Si:0,7-1,3 Fe 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa limite d'élasticité à 15 chaud à la fin du traitement thermique de cuisson des peintures est supérieure à 200 MPa, et que sa limite d'élasticité à froid est supérieure à 220 MPa. 3. Pièce selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage contient de 0,7 à 1% Si. 4. Pièce selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'alliage contient de 0,8 à 1,1% Cu. 5. Pièce selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alliage 25 contient de 0,45 à 0,6% Mn. 6. Pièce selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'alliage contient de 0,6 à 0,9% Mg. 7. Pièce selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'alliage contient de 0,15 à 0,3% Zn. 8. Elément de carrosserie d'automobile comportant au moins une pièce en acier et au moins une pièce de peau en alliage d'aluminium fixée sur la pièce en acier avant peinture, caractérisé en ce que la pièce en aluminium est réalisée à partir d'une tôle traitée par mise en solution, trempe et maturation à la température ambiante de composition: Si:0,7-1,3 Fe 10. Elément de carrosserie selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pièce en alliage d'aluminium est un pavillon de toit.