Brevet FR3036986A1 — publié le 20161209

Tôle pour carrosserie automobile à résistance mécanique élevée Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des tôles en alliage Al-Si-Mg, plus particulièrement en alliage de type AA6xxx selon la désignation de l' « Aluminum Association », additionnées d'éléments durcissants et destinées à la fabrication par emboutissage de pièces de doublure, de structure ou de renfort de la caisse en blanc des véhicules automobiles. Etat de la technique En préambule, tous les alliages d'aluminium dont il est question dans ce qui suit sont désignés, sauf indication contraire, selon les désignations définies par l'« Aluminum Association » dans les « Registration Record Series » qu'elle publie régulièrement. Toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l'alliage. Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515. Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2 % d'allongement Rp0,2, et l'allongement à la rupture A%, sont déterminées par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1. Les alliages d'aluminium sont utilisés de manière croissante dans la construction des véhicules automobiles car leur utilisation permet de réduire le poids des véhicules et ainsi diminuer la consommation de carburant et les rejets de gaz à effets de serre. Les tôles en alliage d'aluminium sont utilisées notamment pour la fabrication de nombreuses pièces de la « caisse en blanc » parmi lesquelles on distingue : les pièces de peau de carrosserie (ou panneaux extérieurs de carrosserie) comme les ailes avant, 3036986 2 le toit ou pavillon, les peaux de capot, de coffre ou de porte ; les pièces de doublure comme par exemple les doublures de porte, d'aile, de hayon ou de capot ; et enfin les pièces de structure, comme par exemple les longerons, les tabliers, les planchers de charges et les pieds avant, milieu et arrière. 5 Si de nombreuses pièces de peau et de doublure sont déjà réalisées en tôles d'alliages d'aluminium, la transposition de l'acier à l'aluminium pour des pièces de renfort ou de structure, présentant des caractéristiques plus élevées, s'avère plus délicate du fait dans un premier temps de la moins bonne formabilité des alliages d'aluminium par rapport aux aciers et du fait dans un deuxième temps des caractéristiques mécaniques 10 en générales moins élevées que celles des aciers utilisés pour ce type de pièces. En effet, pour des applications de type renfort ou structure, un ensemble de propriétés, parfois antagonistes est requis telles que : une formabilité élevée à l'état de livraison, état T4, en particulier pour les opérations d'emboutissage, 15 une limite d'élasticité contrôlée à l'état de livraison de la tôle pour maîtriser le retour élastique lors de la mise en forme, une résistance mécanique élevée après cataphorèse et cuisson des peintures pour obtenir une bonne résistance mécanique en service tout en minimisant le poids de la pièce, 20 une bonne capacité à l'absorption d'énergie en cas de choc pour application à des pièces de structure de caisse, 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, 25 une bonne résistance à la corrosion, notamment la corrosion intergranulaire, la corrosion sous contrainte et la corrosion filiforme de la pièce finie, une compatibilité avec les exigences du recyclage des déchets de fabrication ou des véhicules recyclés, un coût acceptable pour une production en grande série. 30 11 existe cependant d'ores et déjà des véhicules automobiles de grande série disposant d'une caisse en blanc constituée majoritairement d'alliages aluminium. Par exemple le modèle Ford F-150 version 2014 est constitué de l'alliage de structure AA6111. 3036986 3 Cet alliage a été développé par le groupe « Alcan » dans les années 1980-1990. Deux références décrivent ces travaux de développement : P. E. Fortin et al, "An optimized Al alloy for Auto body sheet applications", SAE technical conference, March 1984 décrit la composition suivante : [Fortin] Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti AA6111 0,85 0,20 0,75 0,20 0,72 - - - M. J. Bull et al, "Al sheet alloys for structural and skin applications", 25th ISATA symposium, Paper 920669, June 1992: La propriété principale reste une forte résistance mécanique, même si elle est initialement prévue pour résister à l'indentation pour des applications du type peaux : « A yield-strength of 280MPa is achieved after 2% pre-strain and 30 min at 177°C ». 15 D'autre part, d'autres alliages de la famille AA6xxx à hautes caractéristiques mécaniques ont été développés pour des applications aéronautiques ou automobiles. Ainsi, l'alliage du type AA6056, dont le développement date des années 1980 chez « Pechiney » a fait l'objet de nombreux travaux et de nombreuses publications, soit 20 pour optimiser les caractéristiques mécaniques, soit pour améliorer la tenue à la corrosion intergranulaire. Nous retiendrons l'application automobile de ce type d'alliage, qui a fait l'objet d'une demande de brevet (W02004113579A1). Les alliages du type AA6013 ont également fait l'objet de nombreux travaux. 25 Par exemple, chez « Alcoa », dans la demande US2002039664 publiée en 2002, un alliage comprenant 0.6-1.15 % Si; 0.6-1 % Cu; 0.8-1.2 % Mg; 0.55-0.86 % Zn; moins de 0.1 % Mn, 0.2-0.3 % Cr et environ 0.2 % Fe, utilisé à l'état T6, combine une bonne résistance à la corrosion intergranulaire, ainsi qu'un Rpo,2 de 380 MPa. Chez « Aleris », une demande publiée en 2003, W003006697, a pour objet un 30 alliage de la série AA6xxx avec 0.2 à 0.45 % de Cu. L'objet de l'invention est de proposer un alliage du type AA6013 avec un niveau de Cu réduit, ciblant 355 MPa 5 10 3036986 4 de Rm à l'état T6 et une bonne résistance à la corrosion intergranulaire. La composition revendiquée est la suivante : 0.8-1.3 % Si, 0.2-0.45 % Cu, 0.5-1.1 % Mn, 0.45-1.0 % Mg. 5 Notons enfin que dans tous les exemple précités, l'obtention des caractéristiques mécaniques (Rpo,2, Rm) élevées est atteinte en ayant recours à des alliages contenant au moins 0,5 % de cuivre. 10 Problème posé Le but de la présente invention est de fournir des tôles en alliage d'aluminium pour doublure, renfort ou structure de carrosserie automobile présentant une résistance mécanique en service, après mise en forme et cuisson des peintures, aussi, voire plus 15 élevée, que les tôles de l'art antérieur, tout en présentant une bonne résistance à la corrosion, en particulier intergranulaire ou filiforme, une formabilité par emboutissage à température ambiante satisfaisante et un bon comportement dans les divers procédés d'assemblage tels que le soudage par points, le soudage laser, le collage, le clinchage ou le rivetage. 20 Objet de l'invention L'invention a pour objet une tôle pour pièce emboutie de doublure, de renfort ou de 25 structure de carrosserie automobile encore appelée caisse en blanc, en alliage d'aluminium de la série AA6xxx, présentant une teneur en Cu faible, additionné d'éléments durcissant dont notamment Zn, V et Ti, typiquement d'épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, et de composition (% en poids) : 30 Si : 0,85 - 1,20 et de préférence : 0,90 - 1,10 Fe : REVENDICATIONS1. Tôle pour pièce emboutie de doublure, de renfort ou de structure de carrosserie automobile encore appelée caisse en blanc, en alliage d'aluminium de la série AA6xxx, de composition (% en poids) : Si : 0,85 - 1,20 Fe : 2. Tôle selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en Si est comprise entre 0.90 et 1.10 %. 3. Tôle selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en Cu est comprise entre 0.10 et 0.20 %. 4. Tôle selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en Mg est comprise entre 0.70 et 0.80 %. 5. Tôle selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en Zn est comprise entre 1.20 et 1.50 %. 6. Tôle selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la teneur en V est comprise entre 0.10 et 0.20 %. 7. Tôle selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la teneur en Ti est comprise entre 0.08 et 0.15 %. 8. Tôle selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la teneur en Mn est comprise entre 0.10 et 0.20 %. 9. Tôle selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la teneur en Fe est comprise entre 0.15 et 0.25 %. 3036986 19 10. Procédé de fabrication d'une tôle selon l'une des revendications 1 à 9, comportant les étapes suivantes : 5 - la coulée typiquement semi-continue verticale d'une plaque et son scalpage éventuel, - l'homogénéisation de cette plaque à une température de 550 à 570°C avec un maintien entre 2 et 12 h, préférentiellement entre 4 et 6 h, suivi d'un refroidissement rapide, 10 - le réchauffage à une température comprise entre 450 et 550°C avec un maintien entre 30 min et 3 h, préférentiellement sensiblement 2 h, - le laminage à chaud de la plaque en une bande d'épaisseur comprise entre 3 et 10 mm, - le laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale, 15 - la mise en solution de la bande laminée à une température au-delà de la température de solvus de l'alliage, tout en évitant la brûlure, soit entre 550 et 570°C pendant 30 s à 5 min, suivi de la trempe à une vitesse de plus de 50°C/s et préférentiellement plus de 100°C/s, - le pré-revenu, ou réversion, par bobinage à une température d'au moins 60°C suivi 20 d'un refroidissement à l'air libre de la bobine obtenue. 11. Procédé de fabrication d'une tôle selon l'une des revendications 1 à 9, comportant les étapes suivantes : - la coulée typiquement semi-continue verticale d'une plaque et son scalpage 25 éventuel, - le réchauffage de cette plaque à une température comprise entre 550 et 570°C avec un maintien entre 2 et 12 h, préférentiellement entre 4 et 6 h, - le laminage à chaud de la plaque en une bande d'épaisseur comprise entre 3 et 10 mm, 30 - le laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale, - la mise en solution de la bande laminée à une température au-delà de la température de solvus de l'alliage, tout en évitant la brûlure, soit entre 550 et 570°C pendant 30 s 3036986 20 à 5 min, suivi de la trempe à une vitesse de plus de 50°C/s et préférentiellement plus de 100°C/s, - le pré-revenu, ou réversion, par bobinage à une température d'au moins 60°C suivi d'un refroidissement à l'air libre de la bobine obtenue. 5 12. Tôle obtenue par le procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce qu'après maturation éventuelle à température ambiante comprise entre 72 h et 6 mois, une pré-déformation en traction contrôlée 2%, et traitement de cuisson des peintures, typiquement 20 min à 185°C, elle présente une limite d'élasticité Rpo,2 10 d'au moins 300 MPa. 13. Tôle obtenue par le procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce qu'à l'état métallurgique T6 selon la norme européenne EN 515 elle présente une limite d'élasticité Rpo,2 d'au moins 350 MPa. 15 14. Tôle d'une épaisseur de 2 mm, obtenue par le procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce qu'après maturation éventuelle à température ambiante comprise entre 72 h et 6 mois, une pré-déformation en traction contrôlée de 10 %, et traitement de cuisson des peintures, typiquement 20 min à 20 185°C, elle présente un « angle de pliage trois points » aio% mesuré selon la norme NF EN ISO 7438, et la procédure VDA 238-100, d'au moins 60°. 25