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PROCEDE ET OUTILLAGE DE FILAGE A GRANDE VITESSE
D'ALLIAGES D'ALUMINIUM ET PROFILE OBTENU Domaine technique L'invention concerne le filage à grande vitesse de tubes et profilés en alliages d'aluminium, notamment en alliages à durcissement structural des séries 2000 et 7000 selon la désignation de l'Aluminum Association des Etats-Unis.
Etat de la technique On a déjà cherché à augmenter la vitesse de filage des alliages d'aluminium tout en évitant l'apparition de défauts rédhibitoires, comme les criques, soit en améliorant les propriétés de contact entre le métal et la filière, en utilisant par exemple des lubrifiants particuliers, soit en s'efforçant de diminer les efforts de filage.
Ainsi, le brevet PECHINEY FR 2266748 et son certificat d'addition FR 2341664, déposés respectivement en 1975 et 1976, avec comme inventeur Serge BERCOVICI, ont montré la possibilité d'augmenter de manière significative le rapport et/ou la vitesse de filage en diminuant la pression de filage, ce qui permettait en plus de réduire l'usure des outillages.
Le procédé consistait à réchauffer le bloc à filer à une température- nettement supérieure à celle du solidus de l'alliage, et à refroidir en cours de filage la filière et le produit, de manière à se retrouver en dessous de la température de solidus avant la fin du filage.
Les 10 exemples décrits dans ces deux brevets indiquent des températures de réchauffage allant de 50 à 1200C au dessus de la température de solidus de l'alliage considéré, correspondant à des taux de fraction liquide allant de 3 à 25%. On obtient ainsi un produit thixotrope, dans lequel une partie au moins de la phase dendritique a évolué vers une
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structure globulaire, qui se maintient si le produit est refroidi, puis réchauffé au dessus de la température de solidus.
Le refroidissement au cours du filage était apparu indispensable, d'une part parce que, dans la fourchette de température de filage choisie, le profilé non refroidi aurait été trop mou et déformable à la sortie de presse, et, d'autre part, on souhaitait éviter le phénomène de brulûre du métal, entraînant une baisse des caractéristiques mécaniques.
Mais ceci entraînait un fonctionnement instable et des difficultés pratiques, qui n'ont pas permis que ce procédé soit exploité industriellement.
Objet de l'invention En reprenant des recherches dans ce même domaine du filage à l'état pâteux, les inventeurs ont réussi, en modifiant très sensiblement les paramètres du procédé, à trouver des conditions de fonctionnement stables et reproductibles, permettant un développement à l'échelle industrielle.
L'invention a ainsi pour objet un procédé de filage à grande vitesse des alliages d'aluminium, dans lequel l'alliage est porté, en début de filage, à une température supérieure à celle du solidus de l'alliage telle que la fraction liquide soit comprise entre 0,1 et 2%, et que la température de sortie de filage est au moins égale à la température d'entrée. Cette température d'entrée est, de préférence, supérieure d'au plus
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300C à la température de solidus.
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Le taux de fraction liquide est mesuré par calorimétrie différentielle (DSC).
L'invention a également pour objet un outillage chauffant utilisé notamment pour la mise en oeuvre du procédé.
Enfin elle a également pour objet des profilés en alliages d'aluminium, qu'on peut obtenir par le procédé ci-dessus, qui présentent une structure métallurgique nouvelle, avec une zone périphérique d'au moins 1 mm de largeur entièrement recristallisée, une zone intermédiaire partiellement
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recristallisée et une zone à coeur complétement fibrée.
Description des figures La figure 1 représente en coupe axiale un outillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Les figures 2 à 6 sont des micrographies de sections droites de barres filées selon le procédé de l'invention à des températures respectives de 490,500, 510,520 et 530 C.
Description de l'invention Par rapport à la technique antérieure, l'invention consiste donc, d'une part à partir à une température moins élevée, très proche de celle du solidus et correspondant à un taux de fraction liquide faible, sans rechercher un comportement thixotrope, et d'autre part à ne pas refroidir le produit et la filière au cours du filage, mais au contraire à se maintenir au dessus du solidus jusqu'à la sortie.
Les inventeurs ont en effet constaté que, dans ce cas, les effets de la"brûlure"du métal, tant redoutés des métallurgistes depuis des décennies, étaient en fait très peu marqués, sans doute à cause des progrès dans les techniques de fonderie, conduisant pour les billettes à des teneurs en hydrogène bien plus faibles que par le passé, et que les effets qui pouvaient subsister se révélaient peu gênants dans beaucoup d'applications.
Le procédé belon l'invention consiste d'abord à préchauffer le bloc d'alliage à filer à une température légèrement inférieure à celle du solidus, pendant une durée d'au moins 5 h. Pour des raisons de productivité et d'économie d'énergie, cette opération peut se faire pour un ensemble de blocs dans un four ventilé, de manière à constituer un stock tampon.
Chaque bloc est ensuite porté à la température d'entrée désirée par un moyen de chauffage précis et rapide, comme un four à induction, pendant 10 à 40 s.
Les filières utilisées pour les profilés pleins sont, de
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préférence, à face plate et du type"rapide"ou"mixte", c'est-à-dire convergentes de quelques degrés à l'entrée, puis parallèles, de manière à maintenir le métal en compression en sortie de filière, et d'éviter la formation de criques générées par les contraintes de traction en sortie de portée. Pour les profilés creux, on peut utiliser des filières à aiguille centrale, des filières"porthole"ou des filières "spider".
Pour éviter un refroidissement du bloc au contact des outillages, la filière est préchauffée au four à une température voisine de celle du filage, puis maintenue en température sur la presse par des moyens appropriés. Elle est équipée d'un logement permettant l'implantation d'un thermocouple pour mesurer et réguler sa température au niveau de la portée.
Le conteneur de la presse est également chauffé à une température légèrement supérieure à la température d'entrée de filage visée. Un moyen de chauffage particulièrement adapté et constituant l'un des objets de l'invention, est représenté en éclaté à la figure 1. L'ensemble de l'outillage est constitué d'un porte-outillage (1), d'une filière (2), d'une contrefilière (3), d'une cale d'appui (4) et d'une cale de fond (5).
Le chauffage de maintien s'effectue par l'intermédiaire d'un élément chauffant inséré dans le porte-outillage (1), sans modification des cotes externes de celui-ci, ni de celles des outillages. Cet élément chauffant est constitué d'une bobine (6) sur laquelle est enroulé un thermocoaxe (7). La régulation s'effectue, au moyen. du thermocouple (8) situé au niveau de la portée de la filière. Cet équipement permet le maintien de la température, même pour des temps morts assez longs entre le filage de deux blocs successifs.
La température de sortie de filage est toujours supérieure à la température d'entrée, d'au moins 100C et d'au plus 80*C. Il est souhaitable d'accompagner le profilé à la sortie de la presse, sans le tractionner, par exemple à l'aide d'un tapis roulant. pour éviter de le déformer.
Le profilé est ensuite refroidi à l'air et, dans le cas d'un
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alliage à durcissement structural, mis en solution, trempé, éventuellement tractionné, puis vieilli naturellement ou artificiellement par revenu.
Le procédé est particulièrement intéressant pour les alliages à durcissement structural des séries 2000 et 7000. En effet, ces alliages sont habituellement filés à très faible vitesse à cause du risque d'apparition de criques, et l'invention permet un progrès important de la productivité, les vitesses accessibles sans criques étant multipliées par plus de 10. Par ailleurs, la température de sortie étant supérieure à la température de mise en solution, on peut effectuer la trempe sur presse, ce qui réduit le coût de fabrication.
Une troisième raison est que la température de solidus relativement basse de ces alliages permet l'utilisation, comme pour le filage classique, d'outillages en acier trempé, la température de filage restant en dessous de la température d'adoucissement de ces aciers d'outillage. Pour les autres alliages, il y a lieu de prévoir des outillages en matériaux plus résistants à la température..
Enfin, pour ces alliages 2000 et 7000, le procédé selon l'invention permet d'accéder à des géométries de profilés qui ne sont pas réalisables par filage classique dans des conditions économiques acceptables. C'est le cas par exemple de profilés creux non cylindriques tels que des tubes rectangulaires et on obtient ainsi des produits plus résistants que ceux en alliages 6000 produits actuellement.
Le procédé selon l'invention conduit à une structure
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métallurgic métallurgique des profilés tout à fait inédite. On observe en section droite une. première zone périphérique proche de la surface, dans laquelle la structure est entièrement recristallisée sur une profondeur d'au moins 1 mm, suivie vers l'intérieur d'une zone à structure mixte partiellement recristallisée et à coeur d'une zone à structure complétement fibrée. Plus la température de sortie augmente, plus les zones recristallisées deviennent importantes. Ceci entraîne une légère diminution de la résistance à la rupture Rm et de la limite élastique Ro 2 et une nette augmentation de
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l'allongement à la rupture A. Rm et RO, 2 restent toutefois le plus souvent acceptables dans les applications existantes.
On peut ainsi, en jouant sur la température de sortie, ajuster le compromis entre la résistance mécanique et l'allongement en fonction de l'application désirée. Si toutefois on souhaite éviter cette baisse de Rm et de RO, 2, on peut ajouter à l'alliage des éléments antirecristallisants tels que Zr, Mn, Cr, V ou Hf.
Les figures 2 à 6 sont des micrographies de sections droites de barres cylindriques en alliage 2024 de diamètre 20 mm filées selon le procédé de l'invention et traitées à l'état T351 avec les mêmes paramètres de filage, sauf la température
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d'entrée qui est successivement de 490oC, 500oC, 510oC, 5200C et 530'C. Pour chaque section, on a des micrographies de la zone périphérique, de la zone intermédiaire et de la zone à coeur faites aux mêmes endroits.
On constate que, lorsque la température de filage augmente, la zone recristallisée augmente et la zone fibrée diminue.
Exemples On a élaboré des billettes en alliage 2024, découpées en blocs de filage de diamètre 115 mm et de longueur 400 mm, qui sont
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ensuite écroutés. On a préchauffé les blocs, par charge de 12 à la fois, dans un four ventilé à 494 C pendant 6 h. Chacun des blocs est ensuite réchauffé individuellement dans un four à induction, à une vitesse de l'/s, jusqu'à la température de filage comprise entre 500 et 530oC.
Le filage a été réalisé sur une presse de 800 t, dans un conteneur de diamètre 125 mm, en utilisant des filières en acier Z38CDV5 traité 48 HRC.
On a réalisé 4 sections de profilés : 1) un méplat de largeur 64 mm et d'épaisseur 4 mm.
2) un H d'épaisseur 4 mm et de hauteur et largeur identiques égales à 24 mm, avec un côté à angles vifs et, symétriquement opposé, un côté à angles arrondis.
3) un tube rond de diamètre extérieur 30 mm et d'épaisseur 3
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mm. L'outillage était constitué d'une filière à face plate et à portée rapide, munie d'une aiguille à talon de diamètre 24 mm et de longueur 410 mm, légèrement cÏnique et graphitée avant filage.
4) un tube rectangulaire 30 x 15 mm d'épaisseur 5 mm, avec des angles internes vifs, 2 angles externes vifs et les 2 autres arrondis.
On a utilisé un outillage à pont du type"porthole", avec 4 veines d'alimentation et des portées de plaquette légèrement convergentes.
Le tableau 1 donne pour ces 4 sections le rapport de filage, la température d'entrée, la vitesse de filage et la pression de filage au début (pic) et à la fin.
On constate, pour les 3 premières sections, où la comparaison est possible avec le filage classique, que la vitesse est toujours supérieure à 10 fois celle en filage classique pour un profilé de qualité au moins équivalente, et que la pression de filage est réduite d'au moins 50%. La quatrième section n'était pas réalisable dans des conditions économiques acceptables en filage classique.
Profil Rapport Temp. Temp. Vitesse Pression Pression n filage entrée sortie filage entrée sortie oc oc m/mn MPa MPa
1 48 520 540 25 730 370
2 48 522 560 9 730 315
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b.- 3 48 530 550 10 600 370 4 28-530 580 40 620 250