Brevet FR2846340A1 — publié le 20040430

Procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium pour ustensiles culinaires Domaine de l'invention L'invention concerne la fabrication par coulée continue de bandes en alliage d'aluminium utilisées dans la fabrication des ustensiles culinaires tels que poêles, 10 sauteuses, casseroles, etc., qui peuvent être revêtus, sur au moins une face, d'une couche anti-adhésive de polytétrafluoréthylène (PTFE) ou d'une couche d'émail. Etat de la technique L'utilisation du PTFE comme revêtement anti-adhésif des ustensiles culinaires en alliages d'aluminium est connu depuis les brevets FR 1119221 et FR 1120749, déposés en 1954 par Mmes Wamant et Grégoire. Le second de ces brevets décrit un traitement acide, en particulier à l'aide d'acide chlorhydrique, de la surface en alliage d'aluminium pour améliorer l'adhérence de la couche de PTFE sur cette surface. Le 20 brevet FR 1137972, déposé en 1955 par les mêmes déposantes, décrit le dépôt d'une couche de PTFE sur une ou deux faces de flans en alliage d'aluminium, par exemple des disques, ces flans étant ultérieurement transformés en ustensiles culinaires par emboutissage ou repoussage. Les alliages d'aluminium utilisés le plus couramment sont des alliages peu chargés, par exemple l'alliage 1200 selon la norme NF EN 57325 3 d'octobre 1994. On fabrique également depuis de nombreuses années des ustensiles culinaires en alliage d'aluminium revêtus à l'intérieur d'une couche de PTFE et à l'extérieur d'une couche d'émail. L'alliage utilisé doit être compatible d'une part avec le traitement de surface préalable à l'enduction de PTFE, et d'autre part la cuisson de l'émail à une 30 température de l'ordre de 560'C. On a utilisé pour cela des alliages AlSi (série 4000 selon la désignation de l'Aluminum Association), par exemple l'alliage 4006 de composition (% en poids): Si: 0,8 - 1,2 Fe: 0,5 - 0,8 Cu La problématique de l'utilisation de ce type d'alliage pour l'émaillage des ustensiles culinaires est bien exposée dans l'article de M. Deleuze et D. Marchive: " Les Io nouveaux alliages de corroyage 4006 et 4007 " Revue de l'Aluminium, juin 1980. La demande de brevet WO 01/51678 de SEB concerne l'utilisation du même alliage 4007 pour réaliser des articles culinaires dont au moins une des surfaces est recouverte d'un revêtement anti-adhésif, l'autre pouvant être soit également recouverte d'anti-adhésif, soit émaillée. La fabrication de ces bandes se fait habituellement par coulée semicontinue de plaques, laminage à chaud, puis à froid, la bande obtenue étant le plus souvent découpée en disques servant de flans de départ pour l'emboutissage des ustensiles culinaires. Il est possible d'utiliser également un procédé de coulée continue de bandes. Ainsi, la demande de brevet WO 98/52707 au nom de la demanderesse 20 décrit un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium contenant (en poids) l'un au moins des éléments Fe (de 0,15 à 1,5%) ou Mn (de 0,35 à 1,9%) avec Fe + Mn de manière à limiter l'épaisseur utilisée, et donc le poids de métal. L'emboutissage doit se faire sans difficulté, ce qui suppose une bonne formabilité et une faible anisotropie, mesurée par un taux de cornes aussi faible que possible. Il faut obtenir un bon aspect de surface, et notamment éviter l'apparition de défauts tels que le 5 lignage lors de la mise en forme ou la " peau d'orange " à la surface du métal, due à la formation de gros grains lors des traitements thermiques. La coulée continue entre cylindres de bandes minces entre 1 et 5 mm, telle qu'elle est décrite dans la demande de brevet WO 98/52707 mentionnée ci-dessus, permet d'obtenir des bandes utilisables directement à l'état brut de coulée, qui ne 10 recristallisent pas aux températures habituelles d'émaillage et de polymérisation du PTFE, ce qui permet d'éviter la peau d'orange. En raison de la grande diversité des épaisseurs de métal utilisées pour la fabrication des différents articles culinaires, il n'est pas toujours possible d'utiliser du métal brut de coulée, ce qui obligerait de modifier trop fréquemment l'épaisseur de coulée par 15 un nouveau réglage de la machine de coulée continue, ce qui est toujours une opération délicate. On est donc amené à utiliser une épaisseur de coulée constante, et à amener la bande à l'épaisseur désirée par laminage à froid. Ce laminage entraîne un écrouissage de la bande, ce qui oblige à effectuer un recuit pour obtenir une formabilité suffisante. Un tel recuit conduit le plus souvent à un grossissement du 20 grain en surface, et donc à l'apparition de peau d'orange. L'invention a ainsi pour but de permettre la fabrication par coulée continue, dans des conditions industrielles acceptables, de bandes en alliage d'aluminium à l'état recuit présentant l'ensemble des propriétés requises pour la fabrication d'ustensiles culinaires de haute qualité. Objet de l'invention L'invention a pour objet un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium destinées à la fabrication d'ustensiles culinaires, comportant: - la coulée continue de bandes d'épaisseur comprise entre 4 et 12 mm en alliage de composition (% en poids): 0, 8 - le recuit de la bande laminée à une température comprise entre 320 et 5000C. Description de l'invention Pour satisfaire au mieux les exigences de la fabrication des ustensiles culinaires, notamment l'aspect de surface, l'invention combine un domaine de composition particulier de l'alliage utilisé et une gamme de fabrication appropriée des bandes, io obtenues par coulée continue. Elle repose sur l'observation que, de façon surprenante, la microstructure particulière des alliages dans le domaine de composition selon l'invention permet d'éviter l'apparition de gros grains en surface lors du recuit final, tout en assurant une résistance mécanique élevée et un faible taux de cornes à l'emboutissage. L'invention concerne des alliages essentiellement à base de fer et de silicium, en quantité suffisante de manière à former à la coulée des particules AlFeSi, qui influent favorablement sur le contrôle de la recristallisation au recuit.. Il est nécessaire d'avoir une teneur en fer suffisante > 0,5%, car cet élément a une influence favorable sur la résistance mécanique. Par contre, le fer en solution solide a 20 pour inconvénient de retarder la recristallisation au recuit, ce qui augmente le risque de croissance anormale des grains en surface. Il est donc préférable de le précipiter au maximum à la coulée. Un des moyens d'y parvenir est d'ajouter du silicium en quantité suffisante, au delà de 0,8%, pour favoriser la précipitation du fer sous forme de phases AlFeSi. Dans ces conditions, on obtient une répartition particulière des 25 précipités AlFeSi, notamment à la surface de la bande. De plus, l'utilisation de la coulée continue conduit à l'apparition de phases AlFeSi plus fines et mieux dispersées que dans une coulée classique, ce qui est également favorable. Dans le but de favoriser l'apparition des phases AlFeSi au détriment des phases au fer sans silicium, il est souhaitable que la teneur en silicium soit supérieure à la 30 teneur en fer, c'est-à-dire qu'on ait un rapport Fe/Si Les alliages contenant de 0,7 à 1,3% de fer et de 0,8 à 1,5% de silicium présentent un faible intervalle de solidification, c'est-à-dire une faible différence entre la température de début et de fin de la solidification, ce qui limite, lors de la coulée continue, l'apparition d'une ségrégation centrale, susceptible de former du lignage lors de la mise en forme des disques. Il est important de limiter la teneur en manganèse à 1%, et la somme des teneurs en fer et manganèse à 1,5%, car le manganèse a pour effet de repousser la s recristallisation vers des températures plus hautes lors du recuit. Pour les alliages destinés à la fabrication d'ustensiles émaillés, la teneur en magnésium est maintenue en dessous de 1%, et de préférence au dessous de 0,1%, car cet élément est néfaste à l'adhérence de certains émaux. La teneur en cuivre est inférieure à 0,6% pour respecter la réglementation édictée dans la norme européenne lo EN 602 relative aux alliages d'aluminium destinés au contact alimentaire. La présence d'éléments anti-recristallisants tels que le chrome doit également être limitée pour obtenir une bonne recristallisation au recuit. Un domaine de composition particulièrement adapté est le suivant: Si: 0,8 - 1,5 Fe: 0,7 - 1,3 Mn Les bandes selon l'invention sont coulées par coulée continue, notamment par coulée entre deux cylindres refroidis. L'épaisseur de coulée doit être supérieure à 4 mm, car, en l'absence d'un réglage particulier des conditions de coulée, la réduction de l'épaisseur de coulée entraîne une plus grande anisotropie de la bande. La bande 20 coulée est ensuite amenée à l'épaisseur d'utilisation par laminage à froid. Pour contrôler la recristallisation, il est en effet nécessaire d'avoir un certain écrouissage de la bande, avec une réduction d'épaisseur d'au moins 10%. Le taux de réduction est défini par le rapport (ej - ef)/e1 dans lequel es est l'épaisseur initiale et ef l'épaisseur finale. En effet, si on effectue le recuit de recristallisation directement sur la bande coulée, on s'aperçoit qu'on ne peut pas recristalliser à coeur, et qu'on obtient une structure granulaire hétérogène défavorable à la formabilité, avec des grains de grande taille en surface. Par contre, si le taux de réduction devient trop important et dépasse 60%, l'anisotropie après recuit devient trop élevée. En fonction de l'épaisseur finale 30 demandée, il faut donc adopter une épaisseur de coulée telle que le taux de réduction par laminage reste compris entre 10 et 60%. La bande laminée à froid est ensuite recuite à une température comprise entre 320 et 500'C de manière à obtenir une structure totalement recristallisée. Les bandes selon l'invention présentent une résistance à la rupture Rm > 120 MPa, une limite d'élasticité Ro,2 > 40 MPa et un allongement A > 23%. Le taux de cornes, mesuré sur éprouvettes usinées selon la norme NF-EN 1669 avec un rapport d'emboutissage de 1,9 est inférieur à 4. On n'observe pas de gros grains en surface, 5 la taille des grains variant peu en fonction de la température de recuit et restant inférieure à 100 Jlm, ce qui permet une plus grande souplesse dans la mise en oeuvre industrielle du traitement thermique. L'ensemble de ces propriétés rendent les bandes selon l'invention particulièrement aptes à la fabrication d'ustensiles culinaires, en particulier des articles haut de 10 gamme émaillés et revêtus de PTFE. Exemple Exemple 1: effet de la teneur en fer et en silicium et du taux d'écrouissage On a élaboré deux alliages A (alliage de type 8011) et B (alliage selon l'invention) dont la composition est indiquée au tableau 1. L'alliage 8011 a une teneur en silicium plus basse que celle de l'alliage selon l'invention, et le rapport Fe/Si est égal à 1. Tableau 1 Si Fe Mn Cu Mg A 0,6 0,6 B 1,2 1,1 On a coulé pour ces deux alliages des bandes d'épaisseur 6,1 mm à l'aide d'une machine de coulée continue entre deux cylindres. Ces bandes ont été laminées à 25 froid, pour partie jusqu'à 4 mm (taux de réduction de 35%), pour partie jusqu'à 3 mm (taux de réduction de 51%) et pour partie à 2 mm (taux de réduction de 65%), puis recuites en batch à 4500C. On a mesuré sur les bandes recuites les caractéristiques mécaniques sens travers: limite d'élasticité Ro,2, résistance à la rupture Rm et allongement à la rupture A, ainsi que le taux de cornes t, selon la norme NF EN 1669, et la grosseur des grains en surface par analyse d'image. Les résultats sont indiqués au tableau 2: Tableau 2 TR = 35% Ro,2 (MPa) Rm (MPa) A (%) t, (%) Grains (,um) A 35 114 25 3,4 250 B 41 127 24 3,3 80 TR = 51% A 38 112 24 3,6 300 B 45 130 24 3,6 80 TR = 65% A 38 115 22 4,5 320 B 46 129 21 4,3 85 On constate que la limite élastique et la résistance à la rupture de l'alliage B selon l'invention sont supérieures à celles de l'alliage A pratiquement sans préjudice pour l'allongement, et que le taux de cornes est légèrement réduit. On a mesuré également sur les échantillons d'épaisseur 3 mm un taux de cornes de 3,6 aussi bien pour l'alliage A que pour l'alliage B. On constate que l'augmentation du taux de réduction conduit à une augmentation du taux de cornes après recuit, qui reste cependant inférieur à 4%. Pour un taux de réduction de 65%, le taux de cornes après recuit dépasse 4% pour les alliages A et B. On constate également que les échantillons d'épaisseur 4, 3 et 2 mm en alliage A présentent un certain nombre de gros grains de plusieurs centaines de ptm dans la couche superficielle de profondeur 100 jim, alors que ceux en alliage B ne présentent que des petits grains dans toute l'épaisseur. On observe par ailleurs que la densité des précipités présents dans les bandes recuites en alliage A est inférieure à celle mesurée 20 dans les bandes en alliage B. Ainsi, les bandes en alliages B satisfont à toutes les exigences de résistance mécanique, formabilité, anisotropie, état de surface et aptitude aux traitements d'émaillage et de polymérisation du PTFE, requises pour la fabrication d'articles culinaires de haute qualité. Exemple 2: effet de la teneur en manganèse On a élaboré un alliage C à teneur élevée en manganèse dont la composition est indiquée au tableau 3: Tableau 3 c si 0,3 Fe 0,4 Mn 1,5 Cu 0,1 Mg _ d'obtenir une recristallisation complète. La structure granulaire obtenue est très hétérogène, avec des grains de 1 mm en surface. Le taux de cornes mesuré après recuit est de 6,4%. Ces bandes sont donc inaptes à la fabrication d'ustensiles culinaires. Revendications 1. Procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium destinées à la fabrication d'ustensiles culinaires, comportant: - la coulée continue de bandes d'épaisseur comprise entre 4 et 12 mm en alliage de composition (% en poids): 0,8 - le recuit de la bande laminée à une température comprise entre 320 et 5000C. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la teneur en silicium de 15 l'alliage est comprise entre 0,8 et 1,5%. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la teneur en silicium de l'alliage est comprise entre 1,0 et 1,3%. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la teneur en fer de l'alliage est comprise entre 0,7 et 1,3%. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la teneur en fer de l'alliage est comprise entre 0,9 et 1,2%. 25 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport Fe/Si des teneurs en fer et silicium est inférieur à 1. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en 30 manganèse de l'alliage est inférieure à 0,1%. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en cuivre de l'alliage est inférieure à 0,1%. 9. Bandes en alliage d'aluminium fabriquées par un procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisées par une limite d'élasticité RO,2 > 40 MPa, une résistance à la rupture Rm > 120 MPa, un allongement A > 23%, et un taux de cornes selon la norme NF-EN 1669 surface est inférieure à 100 p.rm.