Brevet FR3065013A1 — publié le 20181012

PROCEDE AMELIORE DE FABRICATION DE COMPOSANT DE STRUCTURE DE CAISSE AUTOMOBILE Domaine de l'invention L'invention concerne le domaine des pièces ou composants de structure automobile encore appelée « caisse en blanc », fabriqués notamment par emboutissage de tôles en alliage d'aluminium, plus particulièrement en alliages de la série AA6xxx selon la désignation de l' « Aluminum Association », destinées à absorber de l'énergie de façon irréversible lors d'un choc, et présentant un excellent compromis entre résistance mécanique élevée et bon comportement au « crash », tels que notamment des absorbeurs de choc ou « crashboxes », pièces de renfort, de doublure, ou autres pièces de structure de caisse. Plus précisément, l'invention porte sur la fabrication de tels composants par emboutissage dans un état mis solution trempé et mûri suivi d'un durcissement par revenu sur pièce et d'un traitement de cuisson des peintures ou « bake hardening ». 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. L'expression 1,4 x Si signifie que la teneur en silicium exprimée en % en poids est multipliée par 1,4. Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515. 3065013 2 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 Rpo,2, et l'allongement à la rupture A%, sont déterminées par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1. 5 Les angles de pliage, appelés alpha norm, sont déterminés par essai de pliage 3- points selon la norme NF EN ISO 7438 et les procédures VDA 238-100 et VDA 239200. Les alliages d'aluminium sont utilisés de manière croissante dans la construction automobile pour réduire le poids des véhicules et ainsi diminuer la 1() consommation de carburant et les rejets de gaz à effet 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, toits ou pavillons, peaux de capot, de coffre ou de porte, et les pièces de doublure ou 15 composants de structure de caisse comme par exemple les doublures ou renforts de porte, de capot, de hayon, de pavillon, ou encore les longerons, les tabliers, les planchers de charges, les tunnels et les pieds avant, milieu et arrière, enfin les absorbeurs de choc ou « crashboxes ». Si de nombreuses pièces de peau sont déjà réalisées en tôles d'alliages d'aluminium, 20 la transposition de l'acier à l'aluminium de pièces de doublure ou de structure présentant des géométries complexes s'avère plus délicate. D'une part du fait de la moins bonne formabilité des alliages d'aluminium par rapport aux aciers et d'autre part du fait des caractéristiques mécaniques en général moins élevées que celles des aciers utilisés pour ce type de pièces. 25 En effet, ce type d'application requiert un ensemble de propriétés, parfois antagonistes telles que : - une formabilité élevée à l'état de livraison, état T4, en particulier pour les opérations d'emboutissage, - une limite d'élasticité contrôlée à l'état de livraison de la tôle pour maîtriser le 30 retour élastique lors de la mise en forme, - 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, 3065013 3 - 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, - une bonne capacité à l'absorption d'énergie en cas de choc pour application à des 5 pièces de structure de caisse, - 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, 10 - un coût acceptable pour une production en grande série. Il 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 15 AA6111. 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 - - - 20 - 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 : 25 « A yield-strength of 280 MPa is achieved after 2% pre-strain and 30 min at 177°C ». 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 30 « Pechiney » a fait l'objet de nombreux travaux et de nombreuses publications, soit pour optimiser les caractéristiques mécaniques, soit pour améliorer la tenue à la 3065013 4 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. 5 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 10 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 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. 15 Notons enfin que dans la plupart des exemples 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. 20 On connait par ailleurs des pièces structurales pour application automobile en alliage 7xxx telles que décrites par exemple dans la demande EP 2 581 218. En outre, pour la réalisation en alliage d'aluminium de pièces de géométrie complexe, comme notamment une doublure de portière, non réalisable par 25 emboutissage conventionnel avec les alliages précités, différentes solutions ont été envisagées et/ou mises en oeuvre par le passé : - Contourner la difficulté liée à l'emboutissage en réalisant ce type de pièces par moulage et notamment du type « Sous-Pression ». En témoigne le brevet EP 1 305 179 B1 de Nothelfer GmbH sous priorité de 2000. 30 - Pratiquer un emboutissage dit « à tiède » pour bénéficier d'une meilleure aptitude à l'emboutissage. Cela consiste à chauffer le flan en alliage d'aluminium, totalement ou localement à une température dite intermédiaire, soit de 150 à 350°C, pour améliorer son comportement sous la presse dont l'outillage peut également être 3065013 5 préchauffé. Le brevet EP 1 601 478 B1 de la demanderesse, sous priorité de 2003, repose sur cette solution. - Modifier, via sa composition, l'aptitude à l'emboutissage de l'alliage de la série AA5xxx lui-même ; il a été notamment proposé d'augmenter la teneur en magnésium 5 au-delà de 5%. Mais ceci n'est pas neutre en termes de résistance à la corrosion. - Utiliser des tôles composites constituées d'une âme en alliage de la série AA5xxx, à teneur en Mg au-delà de 5% pour une meilleure formabilité, et d'une tôle de placage en alliage résistant mieux à la corrosion. Mais la résistance à la corrosion en bords de tôle, dans les zones poinçonnées ou plus généralement où l'âme est exposée, et 10 notamment dans les assemblages, peut alors s'avérer insuffisante. - Enfin procéder à un laminage asymétrique afin de créer une texture cristallographique plus favorable a également été proposé. En témoigne la demande JP 2003-305503 de Mitsubishi Aluminium). Mais l'industrialisation de ce type de laminage asymétrique est délicate, requiert des laminoirs spécifiques, peut avoir un 15 impact défavorable sur l'aspect de surface des tôles obtenues, et peut aussi engendrer des surcoûts importants. Compte tenu du développement croissant de l'utilisation des tôles en alliage d'aluminium pour les composants de carrosserie automobile et des productions de 20 grande série, il existe toujours une demande de nuances encore améliorées permettant de réduire les épaisseurs sans altérer les autres propriétés de façon à toujours accroître l'allègement. Bien évidemment, cette évolution passe par l'utilisation d'alliages à limite d'élasticité de plus en plus élevée, et la solution consistant à utiliser des alliages de la 25 série AA6xxx de plus en plus résistants, mis en forme à l'état T4, c'est à dire après mise en solution et trempe, et durcissant fortement lors des opérations de pré-revenu et cuisson des peintures et vernis, atteint ses limites. Elle débouche sur des alliages de plus en plus durs dès l'état T4 et qui, de ce fait, posent de sérieux problèmes de mise en forme. 30 Problème posé 3065013 6 L'invention vise à obtenir un excellent compromis entre formabilité à l'état T4 et résistance mécanique élevée ainsi que bon comportement au rivetage et au « crash » du composant fini, en proposant un procédé de fabrication de tels composants par mise en forme à l'état métallurgique T4 après maturation à 5 l'ambiante, suivie d'un durcissement par revenu sur pièce mise en forme et d'une cuisson des peintures ou « bake hardening ». Un problème est également de réaliser un procédé court et économiquement avantageux. Ces composants doivent en outre présenter une très bonne résistance à la corrosion et un bon comportement dans les divers procédés d'assemblage tels que le soudage par 10 points, le soudage laser, le collage, le clinchage ou le rivetage. Objet de l'invention 15 L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composant mis en forme, notamment embouti, de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » en alliage d'aluminium, comprenant les étapes suivantes : Fabrication d'une tôle ou bande d'épaisseur comprise entre 1 et 3,5 mm en alliage de composition (% en poids) : 20 Si: 0,60 - 0,85 ; Fe : 0,05 - 0,25 ; Cu : 0,05 - 0,30 ; Mn : 0,05 - 0,30 ; Mg : 0,50 - 1,00 ; Ti : 0,02 - 0,10 ; V : 0,00 - 0,10 avec Ti + V 270 MPa, ainsi qu'un angle de pliage anorm sans fissure > 100° et de préférence > 105°, avec anorm > - (4/3) * Rp0,2+ 507. La composition de l'alliage selon l'invention est la suivante (% en poids) : 15 Si : 0,60 - 0,85 ; Fe : 0,05 - 0,25 ; Cu : 0,05 - 0,30 ; Mn : 0,05 - 0,30 ; Mg : 0,50 - 1,00 ; Ti : 0,02 - 0,10 ; V : 0,00 - 0,10, avec Ti + V -2,67 x Si + 2,87 pour les teneurs en 30 silicium et magnésium selon l'invention, les alliages ne pourront généralement pas être mis en solution, ce qui de fait nuira au compromis recherché. La fourchette de teneur la plus avantageuse pour le silicium est de 0,60 à 0,75%. 3065013 9 Mg : Généralement, le niveau de caractéristiques mécaniques des alliages de la famille des AA6xxx augmente avec la teneur en magnésium. Combiné au silicium pour former les composés intermétalliques Mg2Si ou Mg5Si6, le magnésium contribue à l'accroissement des propriétés mécaniques. Une teneur minimum de 5 0,50% est nécessaire pour obtenir le niveau de caractéristiques mécaniques requis et former suffisamment de précipités durcissants. Au-delà de 1,00%, le ratio Si/Mg obtenu est défavorable au compromis de propriétés recherchées. La fourchette de teneur la plus avantageuse pour le magnésium est de 0,60 à 0,70%. 10 Fe : Le fer est généralement considéré comme une impureté indésirable ; la présence de composés intermétalliques contenant du fer est en général associée à une diminution de la formabilité. De façon surprenante, les présents inventeurs ont constaté qu'une teneur au-delà de 0,05%, et mieux 0,10%, améliore la ductilité et la formabilité notamment en retardant la rupture lors de la déformation après striction. 15 Bien qu'ils ne soient pas liés à cette hypothèse les présents inventeurs pensent que cette effet surprenant pourrait provenir notamment de la diminution sensible de la solubilité du manganèse en solution solide quand cet élément est présent et/ou de la formation d'une forte densité de particules intermétalliques garantissant une bonne « écrouissabilité » au cours de la mise en forme. Dans ces teneurs le fer peut 20 également contribuer au contrôle de la taille des grains. Au-delà d'une teneur de 0,25%, trop de particules intermétalliques sont créées avec un effet néfaste sur la ductilité et la résistance à la corrosion. La fourchette de teneur la plus avantageuse est de 0,05 à 0,20%. 25 Mn : sa teneur est limitée à 0,30%. Une addition de manganèse au-delà de 0,05% accroît les caractéristiques mécaniques par effet de solution solide, mais au-delà de 0,30%, elle ferait très fortement décroitre la sensibilité à la vitesse de déformation et donc la ductilité. Une fourchette avantageuse pour le manganèse est de 0,10 à 0,15% 30 Cu : Dans les alliages de la famille des AA6000, le cuivre est un élément durcissant efficace en participant à la précipitation durcissante. A une teneur minimum de 0,05%, sa présence permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques 3065013 10 plus élevées. Dans l'alliage considéré, le cuivre au-delà de 0,30% a une influence négative sur la résistance à la corrosion intergranulaire. De préférence, la teneur en cuivre est au plus de 0,20%. La fourchette de teneur la plus avantageuse pour le cuivre est de 0,08 à 0,15%. 5 V et Ti : chacun de ces éléments, pour Ti à une teneur de 0,02% au minimum, peut favoriser un durcissement par solution solide conduisant au niveau de caractéristiques mécaniques requis et chacun de ces éléments a de plus un effet favorable sur la ductilité en service et la résistance à la corrosion. Par contre, une 10 teneur maximum de 0,10% pour Ti comme pour V, et une somme des teneurs de Ti et V Ti + V 270 MPa et de préférence > 275 MPa, ainsi qu'un angle de pliage anorm sans fissure > 100° et de préférence > 105° et anorm > - (4/3) * Rpo,2+ 507, ce qui est illustré par la Figure 3 10 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » en alliage d'aluminium destiné à absorber de l'énergie de façon irréversible lors d'un choc, comprenant les étapes suivantes : - Fabrication d'une tôle ou bande d'épaisseur comprise entre 1 et 3,5 mm en alliage de composition (% en poids) : Si : 0,60 - 0,85 ; Fe : 0,05 - 0,25 ; Cu : 0,05 - 0,30 ; Mn : 0,05 - 0,30 ; Mg : 0,50 - 1,00 ; Ti : 0,02 - 0,10 ; V : 0,00 - 0,10 avec Ti + V 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le temps de maintien du revenu à 205°C est compris entre 60 et 120 minutes ou à temps-température équivalent. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la teneur en Si de la tôle ou bande est comprise entre 0,60 et 0,75. 3065013 20 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la teneur en Fe de la tôle ou bande est comprise entre 0,05 et 0,20. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la teneur en Cu 5 de la tôle ou bande est au plus de 0,20 et de préférence comprise entre 0,08 et 0,15. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la teneur en Mn de la tôle ou bande est comprise entre 0,10 et 0,15. 10 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la teneur en Mg de la tôle ou bande est comprise entre 0,60 et 0,70. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la teneur en Ti 15 de la tôle ou bande est comprise entre 0,03 et 0,10. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la teneur en V de la tôle ou bande est comprise entre 0,03 et 0,08. 20 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que la fabrication de la tôle ou bande avant emboutissage comporte les étapes suivantes : - la coulée typiquement semi-continue verticale d'une plaque et son scalpage, - l'homogénéisation de cette plaque à une température de 530 à 570°C avec un maintien entre 2 et 12 h, préférentiellement entre 4 et 6 h, 25 - le laminage à chaud de la plaque en une bande d'épaisseur comprise entre 3,5 et 10 mm, - le laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale. 11. Composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore 30 appelée « caisse en blanc » élaboré par un procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que sa limite d'élasticité, déterminée selon la norme NF EN ISO 6892-1, est Rpo,2> 270 MPa et de préférence > 275 MPa, et en ce que en ce que son « angle de pliage trois points » anorm, déterminé suivant la norme NF 3065013 21 EN ISO 7438 et les procédures VDA 238-100 et VDA 239-200, est > 100° et de préférence > 105° avec anorm > - (4/3) * Rpo,2+ 507. 5 12. Composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc », selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle est choisie dans le groupe contenant notamment les doublures ou renforts de porte, de capot, de hayon, de pavillon, ou encore les longerons, les tabliers, les planchers de charges, les tunnels et les pieds avant, milieu et arrière, ainsi que les 10 absorbeurs de choc ou « crashboxes ».