Brevet FR2876117A1 — publié le 20060407

PLAQUE DE MOULAGE D'UNE GRANDE DURETE ET PROCEDE DE FABRICATION DE LADITE PLAQUE L'invention est relative à une plaque de moulage en alliage d'aluminium corroyé. L'invention est en outre relative à un procédé pour fabriquer ladite plaque de moulage. Sur le marché des plaques d'usinage et de moulage pour le moulage par extrusion soufflage et le thermoformage de caoutchoucs et de matières plastiques, on s'efforce constamment de réduire les coûts tout en conservant une résistance à l'usure et une aptitude à la réparation par soudage qui soient satisfaisantes. Ces types de plaques d'usinage sont également couramment employés dans de nombreuses autres applications industrielles, dont les pièces fabriquées par diverses opérations d'usinage telles que le perçage, le fraisage et le tournage. Les plaques d'usinage couramment employées sont en alliage choisi parmi les alliages de la série AA2000, les alliages de la série AA6000 ou les alliages de la série AA7000. Une grande résistance à l'usure associée à une bonne usinabilité constituent d'importantes propriétés d'alliages pour plaque de moulage. Dans les alliages corroyés classiques pour plaque d'usinage, cette résistance à l'usure s'obtient en alliant du cuivre (comme dans la série AA2000) ou du zinc (comme dans la série AA7000) ou du magnésium et du silicium (comme dans la série AA6000) en combinaison avec un traitement thermomécanique. Dans ces catégories d'alliage pouvant subir un traitement thermique, la manière ordinaire de parvenir à une grande dureté consiste à procéder à un durcissement par précipitation de phases cohérentes. Un durcissement supplémentaire par des particules relativement grosses, par exemple du Si primaire et du Mg2Si non cohérent, est souvent considéré comme non approprié, en raison des risques de fusion du constituant eutectique à des températures élevées qu'il présente. On ne recourt pas non plus facilement à un durcissement supplémentaire par dispersoïdes du type a-Al(Fe,Mn,Cu)Si, car on estime généralement que ceux-ci accentuent la sensibilité à la trempe de l'alliage. Une sensibilité accrue à la trempe est considérée comme une caractéristique défavorable, en particulier pour les produits les plus épais. Ordinairement, avec les alliages AA2000 et AA7000, on obtient une plus grande dureté qu'avec les alliages AA6000. Cependant, un inconvénient de la série AA2000 réside dans la forte teneur en cuivre qui rend l'alliage coûteux et également très sensible au traitement thermique. Par ailleurs, la soudabilité de l'alliage souffre de la forte teneur en cuivre. Des arguments similaires sont opposés à la série AA7000, comme les fortes contraintes résiduelles, et les mauvaises performances de soudabilité et de résistance à la corrosion qui provoquent des complications concernant les tolérances dimensionnelles, l'aptitude à la réparation par soudage et la durée de vie du moule. La résistance à l'usure d'un alliage de la série AA6000 à revenu T6, par exemple AA6010, AA6013, AA6061, AA6066, AA6070 et AA6082, convient généralement pour des applications industrielles normales. Cependant, pour des applications impliquant des performances élevées, il faut une plus grande résistance à l'usure sans effet négatif sur la soudabilité et les coûts. L'invention vise à réaliser une plaque de moulage en alliage d'aluminium corroyé à résistance à l'usure améliorée. Selon l'invention, cet objectif est atteint grâce à une plaque de moulage en alliage d'aluminium corroyé contenant, en pourcentage de poids: Si 1,4 2,1 Mn 0,8 1,2 Cu 0,45 0,9 Mg 0,7 1,2 - Ti La dureté accrue est obtenue en combinant le durcissement par précipitation des phases Mg-Si-Cu, des composés intermétalliques contenant Fe et Mn et des dispersoïdes, dont on sait qu'ils réduisent en fait l'effet de durcissement par vieillissement dans des alliages de AlMgSi(Cu) équilibrés en raison de leur effet sur la sensibilité à la trempe, avec un grand excédent de Si, qui fait diminuer le niveau de Mg en solution, pour limiter le plus possible l'effet négatif des dispersoïdes contenant Mn sur la sensibilité à la trempe. Le niveau de sursaturation pour les phases Mg-Si n'est pourtant pas suffisamment grand pour que des sensibilités particulièrement 20 fortes à la trempe résultent déjà de la teneur en Mg, Si et Cu en solution. On estime que la composition équilibrée de l'alliage selon l'invention combine l'effet d'augmentation de résistance mécanique d'un apport de silicium avec une quantité modérée de cuivre, de magnésium et de manganèse. On a constaté que cet alliage présente une soudabilité satisfaisante et une dureté d'au moins 105 HB. Il faut souligner que les valeurs de dureté sont exprimées sur l'échelle Brinell et ont été mesurées à l'aide d'une boule de 2,5 mm de diamètre chargée avec une masse de 62,5 kg. Les essais de dureté ont été réalisés conformément à ASTM E10 (version 2002). Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, la dureté dans l'état de revenu T6 est d'au moins 115 HB, de préférence encore au moins 120 HB. Ces valeurs de dureté impliquent une plus grande usinabilité ainsi qu'une plus grande résistance à l'usure. La composition chimique en combinaison avec un traitement thermique assure le maintien d'une soudabilité adéquate et donc d'une bonne aptitude à la réparation: on a constaté de façon inattendue que, pour des teneurs en cuivre d'un maximum de 0,9 %, l'alliage de la plaque présente une très bonne aptitude à la réparation, par exemple avec un fil d'apport 4043 courant. Dans une forme de réalisation, la teneur en Si est de 1,53 à 2,0 %, de préférence encore de 1,55 à 1,9 %. On a constaté que cet intervalle de teneurs en silicium assure une très bonne combinaison des propriétés souhaitables, par durcissement par des phases Mg-Si-Cu cohérentes, et par des phases de Si primaire, de Mg2Si non cohérent et de composés intermétalliques a-Al(Fe,Mn,Cu)Si et des dispersoïdes. Dans une forme de réalisation, la teneur en Mn est de 0,85 à 1,10 %. On a constaté que cet intervalle de teneur en manganèse assure une très bonne combinaison des propriétés souhaitables, en particulier par stimulation de la formation de phases intermétalliques a-Al(Fe,Mn,Cu)Si et de dispersoïdes. A de fortes teneurs en Si, la tendance à la formation de la phase intermétallique (3-AlFeSi relativement fragile s'accentue. Cependant, en assurant la présence de quantités appropriées de Mn et de Cu, la phase a-Al(Fe,Mn,Cu)Si la plus favorable est stabilisée. Dans une forme de réalisation, la teneur en Cu est de 0,5 à 0,7 %. On a constaté que cet intervalle de teneurs en Cu assure une très bonne combinaison des propriétés souhaitables par l'intermédiaire des phases cohérentes Mg-Si-Cu et des phases a-Al(Fe,Mn,Cu)Si stabilisées, tout en continuant à maintenir à un niveau bas le coût de la réalisation de l'alliage et en assurant une bonne aptitude à la réparation par soudage. Dans une forme de réalisation, la teneur en Zn est inférieure à 0,3 %, de préférence de 0,17 à 0,3 %. Dans une forme de réalisation, la teneur en Fe est de préférence d'au moins 0,2 %, de préférence encore de 0,2 à 0,5 %, et de préférence surtout de 0,3 à 0,5 % pour assurer la formation de quantités suffisantes de composés intermétalliques a-Al(Fe,Mn,Cu)Si améliorant la dureté. Dans une forme de réalisation, les teneurs en Zr, Cr, V sont chacune de préférence inférieures à 0,18 %, de préférence encore inférieures à 0,2 % pour réduire davantage la sensibilité à la trempe. Dans une forme de réalisation, la plaque de moulage a une note d'usinabilité "B" ou meilleure, définie dans ASM Spécialty Handbook Aluminium and Aluminium Alloys (ed. J.R. Davis), ASM International 1993, pages 328-331. Dans une forme de réalisation, la plaque de moulage a une épaisseur finale de 300 mm, les valeurs de dureté souhaitées pouvant encore être satisfaites au centre de la plaque. De préférence, l'épaisseur finale est de l'ordre de 5 à 300 mm, de préférence encore de l'ordre de 5 à 260 mm. Ces intervalles d'épaisseur permettent l'emploi de la plaque de moulage dans toutes les applications concrètes nécessitant une plaque de moulage. Dans une forme de réalisation, la plaque de moulage a été dotée de son épaisseur finale uniquement par laminage à chaud. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication de plaque de moulage comprenant les étapes successives consistant à : É couler un lingot ayant la composition suivante (en pourcentages de poids) : o Si 1,4 2,1 o Mn 0,8 1,2 o Cu 0,45 0,9 o Mg 0,7 1,2 o Ti É homogénéisation et/ou préchauffage du lingot, É réalisation de l'épaisseur finale de ladite plaque, de préférence par laminage à chaud et/ou laminage à froid, de préférence uniquement par laminage à chaud, É application d'un traitement thermique comprenant un traitement 10 thermique de mise en solution suivi d'un refroidissement rapide, É vieillissement, la vitesse de refroidissement pendant ledit refroidissement rapide étant choisie de manière à obtenir une dureté d'au moins 105 HB de la plaque de moulage.x2 En fabriquant une plaque de moulage selon l'invention, on obtient un produit d'une grande dureté à forte teneur en composés intermétalliques résultant du broyage de copeaux. La vitesse de refroidissement au cours du refroidissement rapide après le traitement thermique de mise en solution est importante car cette vitesse de refroidissement détermine la quantité de Mg, Si et Cu contenus en solution, lesquels ont été dissous pendant le traitement thermique de mise en solution. Dans une forme de réalisation de l'invention, le traitement thermique après laminage à chaud ou compression à chaud est un traitement T6. Dans une forme de réalisation, la température d'homogénéisation est d'au moins 450 C, de préférence au moins 500 C, de préférence encore de 500 à 595 C, de préférence pendant 1 à 25 heures, de préférence encore pendant 10 à 16 heures. La température de préchauffage est au minimum de 570 C, d'environ 300 C à 570 C, de préférence de 350 à 530 C, de préférence pendant 1 à 25 heures, de préférence encore pendant 1 à 10 heures. Dans une forme de réalisation, la température de traitement thermique de mise en solution est d'au moins 500 C, de préférence au moins 520 C et de préférence encore au moins 540 C. Dans une forme de réalisation, la vitesse de refroidissement après traitement thermique de mise en solution depuis la température de traitement thermique de mise en solution jusqu'à moins de 250 C, de préférence jusqu'à moins de 150 C et de préférence encore jusqu'à moins de 100 C, est au minimum de 1 C/s, de préférence au moins de 2 C/s, de préférence encore de 5 C/s et de préférence surtout d'au moins 10 C/s. Il faut souligner que la vitesse de refroidissement du produit pendant la trempe dépend de l'emplacement à l'intérieur du produit. Le centre du produit se refroidit plus lentement que la surface du produit. Par conséquent, comme la dureté finale dépend de la vitesse de refroidissement, la dureté sera inférieure si la vitesse de refroidissement local pendant la trempe est plus faible. Le point critique dans le produit est défini comme étant le point où la vitesse de refroidissement pendant la trempe est la plus basse. Les vitesses de refroidissement précitées concernent la vitesse de refroidissement au point critique. Dans une autre forme de réalisation, le processus de vieillissement comporte un vieillissement naturel pendant une durée maximale de 28 jours, de préférence pendant une durée maximale de 14 jours, de préférence encore pendant une durée maximale de 7 jours, de préférence surtout pendant une durée maximale de 2 jours, suivi par un traitement de vieillissement artificiel équivalent à un vieillissement à environ 180 à 200 C pendant environ 1 à 10 heures. Les spécialistes de la technique savent que la durée et la température d'un recuit ne sont généralement pas choisies indépendamment. Le processus de vieillissement est activé thermiquement, ce qui aboutit à une situation dans laquelle une température élevée associée à une courte durée équivaut à une température plus basse et une durée plus grande, c'est-à-dire que le même état métallurgique est atteint après le traitement de vieillissement. Dans une forme de réalisation de l'invention, l'étape de transformation comprend un laminage ou une compression. Dans une autre forme de réalisation, l'étape de laminage est constituée par un laminage à chaud et/ou une compression à chaud et/ou un laminage à froid. De préférence, l'étape de transformation est constituée uniquement par un laminage à chaud et/ou une compression à chaud. Dans une forme de réalisation de l'invention, l'étape de coulée est une étape de coulée continue de produit mince, les dimensions du produit coulé étant proches de celles du produit final. En référence aux exemples nullement limitatifs ci-après et à la figure jointe, on va maintenant expliquer une forme particulière de réalisation de l'invention. Il faut souligner que la composition chimique des alliages a été diversifiée en mélangeant des copeaux d'un alliage de brasage, constitués surtout d'un alliage central de la série AA3000 revêtu d'un alliage riche en Si de la série AA4000, d'une pureté technique Al 99.0, après quoi Cu et/ou Mg et/ou d'autres éléments peuvent être ajoutés pour obtenir la composition chimique finale. Tableau 1. Composition moyenne d'alliages testés et dureté dans l'état T6. Alliage Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti HB Teneur en alliage de brasage (%) Al 99, 0 0,4 0,6 0,03 0,03 0,03 0,07 - - 0 Alliage de 2,0 0,4 0,5 1,0 0,40 0, 25 0,05 - 100 brasage Exemple 1 1,72 0,37 0,61 0,77 0,97 0,21 0,05 124 82 Exemple 2 1,70 0,39 0,91 0,95 0,85 0,21 0,05 124 81 Exemple 3 2,10 0,38 0, 50 1,03 0,88 0,25 0,05 124 100 Exemple 4 1,68 0,41 0,40 0,78 0,98 0,21 0, 05 123 80 Exemple 5 1,71 0,43 0,51 0,76 0,70 0,21 0,05 122 82 Exemple 6 1, 59 0,38 0,61 0,81 0,98 0,10 0,03 123 75 Exemple 7 1,60 0,39 0,64 0,95 0, 91 0,02 0,05 Fig.1 80 Ces alliages ont été homogénéisés à une température de plus de 510 C, éventuellement laminés à chaud, soumis à un traitement thermique de mise en solution à 550 C, refroidis à une vitesse d'au moins 10 C/s pour obtenir une teneur maximale en solutés de Mg, Si et Cu, conservés pendant 14 jours à la température ambiante et vieillis à la suite d'un traitement de vieillissement équivalent à 190 C pendant 2 à 6 heures. De la sorte, on obtient un produit à revenu T6 d'une grande dureté, à forte teneur en composés intermétalliques résultant du broyage de copeaux, ce qui donne une dureté d'au moins 120 HB. L'exemple 7 a été soumis à un traitement thermique de mise en solution à 530 C et conservé à la température ambiante pendant une journée, le reste des conditions de traitement étant celles indiquées plus haut pour les autres alliages. Les profils de dureté de plaques ayant la composition selon l'exemple 7, de 80, 100 ou 150 mm d'épaisseur, sont indiqués sur la Fig. 1. Sur l'axe des X, la distance (L) au centre de la plaque dans le sens de l'épaisseur est indiquée en mm, et sur l'axe des Y la dureté Brinell est indiquée en différents points dans l'épaisseur de la plaque. Toutes les valeurs mesurées indiquent une valeur de dureté d'au moins 120 HB en tout point dans l'épaisseur de la plaque. De préférence, les plaques de moulage ont une teneur en Mg de l'ordre de 0,9 à 1,1 %. REVENDICATIONS 1. Plaque de moulage en alliage d'aluminium corroyé comprenant, en pourcentage de poids: Si 1,4 2,1 Mn 0,8 1,2 Cu 0,45 0,9 Mg 0,7 1, 2 Ti 2. Plaque de moulage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en Si est de l'ordre de 1,53 à 2,0 %, de préférence encore de 1,55 à 1,9 %. 3. Plaque de moulage selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en Mn est de l'ordre de 0,85 à 1,10 %. 4. Plaque de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la teneur en Cu est de l'ordre de 0,5 à 0,7 %. 5. Plaque de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en Mg est de l'ordre de 0,9 à 1,1 %. 6. Plaque de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en Zn est inférieure à 0,3 %, de préférence de l'ordre 30 de0,17à0,3%. 7. Plaque de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la plaque de moulage a une note d'usinabilité d'une valeur "B" ou meilleure. 8. Plaque de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la plaque de moulage a une épaisseur finale de l'ordre de 5 à 300 mm, de préférence de 5 à 260 mm. 9. Plaque de moulage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle a été laminée à son épaisseur finale uniquement par laminage à chaud. 10. Procédé de fabrication d'une plaque de moulage comprenant les étapes successives consistant à : 15 É couler une composition comprenant (en pourcentages de poids) : o Si 1,4 2,1 o Mn 0,8 1,2 o Cu 0,45 0,9 o Mg 0,7 1,2 o Ti