CA1118190A

CA1118190A - Procede de fabrication de corps creux en alliage d'aluminium et produits ainsi obtenus

Info

Publication number: CA1118190A
Application number: CA000353060A
Authority: CA
Inventors: Jean Coupry; Marc Anagnostidis
Original assignee: Metallurgigue de Gerzat
Current assignee: Metallurgigue de Gerzat
Priority date: 1979-06-01
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1982-02-16
Also published as: FR2457908A1; DE3061495D1; CH644402A5; NO801611L; NO153184B; EP0020282A1; EP0020282B1; IT1130700B; FR2457908B1; ES491989A0; BE883565A; IT8022416A0; US4345951A; ES8102198A1; ZA803235B; NO153184C

Abstract

L'invention est relative à un procédé d'obtention de corps creux en alliage d'aluminium, présentant une grande résistance à l'éclatement et aux produits ainsi obtenus. L'alliage contient (en poids): 7,6 à 9,5 % Zn; 1 à 2 % Cu; 2,4 à 3,5 % Mg; 0,07 à 0,17 % Cr; 0,15 à 0,25 % Mn; 0,08 à 0,14 % Zr; moins de 0,2 % Fe, de 0,15 Si, de 0,10 % Ti, et éventuellement moins de 0,01 % V. Il présente une charge de rupture (sens long) et une résistance à l'éclatement (sens travers) supérieurs ou égales à 660 MPa. Sa structure est caractérisée pour l'absence de gros composés intermétalliques (? 35 .mu.m) après un test de solidification spécifique. Il peut être utilisé dans toutes les applications de sécurité comportant une enceinte sous pression (bouteilles de gaz comprimés, etc..).

Description

~8~9~

La présente invention se rapporte à un procédé de fabriaation de corps creux en alliage d'.aluminium et aux produits ainsi obtenus, qui possèdent une grande ductilité
(dans le ~ens long) et une grande ténacité (dans le sens travers) lorsqu'ils sont traités à des niveaux de résistance ~upérieurs à 6G0 MPa.
On sait que les alliages A-Z8GU (ou 7049-A) selon la norme AFNOR 50-411, dont l'analyse est reportée au tableau 1 sont particulièrement utilisés dans la fabrication de corps creux sous pression, en rai.son des hautes caractéristiques mécaniques qu'i.ls acquièrent à l'état trempé-revenu (état T6).
. Or, ces alliages ne sont pas toujours fiables en ce sens que des ruptures ou éclatements prématurés sont parfois observés lors des épreuves hydrauliques de contrôle.de tels corps creux soumis à une pression.interne.
Le but de cette inve`ntion est dona de résoudre ce problème par un choix convenable couvrant partiellement le : ~
domalne de l'alliage 7049 A, qui permet d'obtenir, selon le . :.
procédé, des produits présentant des caractéristiques de ductilité et de ténacité élevées, et, par conséquent, une grande sécurité d'emploi.
Ce but est atteint de façon surprenante:
1- Essentiellement en diminuant les teneurs des éléments Cr, Mn et Zr, qui sont connus pour:être des inhibiteurs de recris-talIisation dans les alliages.d'Al (voir ALTEXPOHL, "Un regard à l'in~érieur de l'alumin.i.um", éd. française,.1976, 1 p. 148).
Or, en vue d'obtenir les très hautes caraatéristiques méca-niqueS recherchées, l'alliage est, en effet, utilisé à
l'état non recristallisé avec effet de presse, même aprè

les traitements de mise en solutionl trempe et re~enu.

2- En augmentant au-delà d.es limites habituelles les teneurs en .. ... .. . .

eléments principaux tels que Zn~ Cu, Mg.

3- En limitant à des niveaux bas ou très bas les teneurs des éléments mineurs (Fe, SI, Ti) ou meme des.impuretés telles ~ue le V.
i Plu~ précisément, le procédé selon l'invention qui est.destiné à.l'obtention de corps creux résistant à une pres-sion interne ayant une charge de rupture et une contrainte d'éclatement supérieures.ou égales à 6~0 MPa et un allongement de rupture en long supérieur ou égal à 9 % pour Rm = 660 MPa, est caractérisé par les étapes suivantes:
- on élabore un alliage contenant ~% en poids?:
Zn . 7,6 à 9,5 . ~
Cu 1,0 à 1,8 %
Mg 2,4 à 3,5 %
Cr 0,07 à 0,17 %
Mn 0,15 à 0,25 Zr 0,08 à 0,14 %
Fe 0,20 ~ %
Si ~ _ 0,15 %
Ti ~ 0,10 . %
Autre~,.chacun ~ 0,05 . %
Autres, total ~ ~ 0,15 . %
Reste Al - on coule et on transforme à chaud l'alliage homogénéisé QOUS
forme de tube, et on rétreint à chaud au moins une des deux extrémités du tube;
- on le traite thermiquement par mise en solution, trempe et revenu (etat T6).
~a t~an~forrnation à chaud de l'alliage homogénéisé
3~ sous forme de tube est realisée de préférence par filage inverse.
Dans unecomposition préférentielle de l'alliage, la teneur en V est limitée à une teneur inférieure à 0,01 %.

... ..

~s~
!

Suivant un mode de réalisation préEéré du procédé, les produits sont transformés de la Eaçon suivante:
- homog~neisation entre 460 et 490C. des billettes coulées, déformation à chaud entre 320 et 420C., y compris éventuel-lement le rétreint d'une (ou des deux) extrémité(s) dans le cas de abrication de corps creux, mise en solution entre 460 et 480C. et revenu adapté pour obtenir une charge de rupture (sens long) et une contrainte limite d'éclatement ~sens travers) supérieures ou égales à 660 MPa.
Dans ces aonditions et, pour une charge de rupture égale à 660 MPa, l'allongement dans le sens long est supérieur à 9 %: cet allongement est mesuré sur une longueur de base lo = 5,65 ~ S étant la section de l'éprouvette. La défor-mation à chaud est réalisée, de préférence, par filage inverse;
des conditions d'homogénéisation, de mise en solution et de revenu peuvent être différentes de celles indiquées ci-dessus sans sortir du domaine de l'invention.
La contrainte d'éclatement (RE) lors de l'epreu~e hydraulique est donnée par la formulè classique: `
Dp RE = 2 dans laquelle - - e : est llépaisseur minimum du tube ou du corps creux (9uppose sensiblement cylindrique circulaire).
D : est le diamètre moyen du cyllndre, soit D. In~ 3 _~35_ - p : est la pression d'éclatement Il a été constaté que le~ éléments Cr, Mn, Zr ont -- un effet synergétique imprévisible, c'est-à-dir~ que leur action globaIe sur les caractéristiques mecaniques est très largement supérieure à la somme des actions individuelles de chacun d'eux. Cet effet est nettement mis en évidence dans les exemples donnés ci-aprè~. Il n'etalt donc pas du tout évident de choisir cette combinaison particulière de teneurs en ces éléments pour ob~enir les propriétés recherahées.
Iles alliages suivant l'in~ention répondent au te~t de contrôle ~uivant:
- 200 g dlalliage environ sont refondus à 735C.- 5C dans un creu~et de graphite poteyé d'alumine - on soumet ensuite l'en~emble à un refroidissement lent en four, à raison de 0,5 à 1C/min. suivi d'un palier de 2 h à
une température supérieure à 2 à 4C. à celle du début de solidification de l'alliage (liquidus), puis on sort le creuset à l'air pour assurer une solidification rapide.
- l'examen en micrographie optique au grossissement x 100 à 500 d'un échantillon poli prélevé dans la moitié inérieure du lingotin ainsi obtenu, ne révèle aucun amas de aonstituants intermétalliques primaires ou de partioules intermétalliques individuelles massives, non dendritiques, de forme générale polygonale, de longueur supérieure à 35,um dans leur plus , grande dimension.
Les particules sont aonsidérées comme faisant partie d'un amas lorsque la distance interparticulaire est inférieure ou égale à la plus grande dimension de la particule considéré~e.
Dans ce cas, la longueur prise en compte est la longueur cumulée des dimensions maximales de chaque particule de l'amas.
L'invention sera mieux comprise et illustrée par les exemplé suivants ainsi que les dessins ci-joints dans lesquels:
- la figure 1 représente une ~oupe micrographique .
d'un lingot obtenu à partir d'un alliage conforme à l'invention;
. _ ~
- la figure 2 représente une coupe micrographique d'un iingot obtenu à partir d'un alliaye sortant du domaine de l'invention.

EXEMPLE 1 :
.
Le~ alliages reperés 1 à 12 dont les compositions (%

,

-4-9C~

en poids) sont reportées au tableau II ont été coulés en semi continu verticalement, en billettes 0 185 mm, qui ont été homo-yénéisées 24 h à 450C. Ces billettes ont été usinées à ~ 170 mm pour filage inverse de tubes ~ 82 x 67,5 mm à une température de 365C.
Les tubes ont été ensuite trait~ de la fa~on suivante:
~ mise en solution à 460C~ pendant 45 minutes - trempe à l'eau froide (10-15C.) -- revenu à 125C. pendant 20 h Les tubes ainsi obtenus ont été soumis à des essais de traction suivant une direction parallèle aux génératrices du tube et à
des essais d'éclatement sous pression hydraulique (déchirure longitudinale).
On a relevé la charge de rupture (Rm), la limite élastique ~
(R 0,2), l'allongement (A %) et la contrainte d'éclatement ~RE).
Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau III.
Le effets individuels des additions de~0,07 % Cr trep. A). fr 0,88 % Zr (rep. B) et de 0,15 ~ Mn ~rep. C) sont reportés au tableau IV~ On constate que la somme des effets individuels (lignes A + B ~ C) est largemen~ inférieure à ce-lle des additions conjointes (ligne D suivan~ l'invention~ de l'ensemble de ce~ éléments sur les caracteristique5 de traction et de façon particulièrement spectaculaire sur la limite élastique et les allongements. Elle reste cependant sans effet notable sur la résistance à l'éclatement.
Ainsi, l'effet synergétique de ces eléments, impré-visible a priori, est bien démontré

.. _ .
Par ailleurs, on constate bien que les caractéris~i~

ques visées ne sont pas atteintes pour les alliages l à 8 dont la composition est hors du domaine de l'invention alors que les alliages 9 a 12, selon l'invention, les atteignent.

.
~ ~ -5 .

~9~ ~

EXEMPLE 2:
Trois coulées en semi continu d'alliage 7049 A, sortant des limites de composition de la présente invention, ont été
eEEectuées. Les analyse~ ob~enues sont reportées au tableau V.
Celles-ci ont été transormées en tubes dans les con-ditions de l'exemple 1 par ~ilage inverse, et ceux-ci ont été
rétreints et traités à l'état T6 par mise en solution à
465~ 5C., 45 mm, trempe eau et revenu 125C., 20 h. Les aontraintes de rupture sous épreuve hydraulique, calculées comme indiqué ci-dessus, sont également données au tableau V. On peut constater qu'elles sont nettement inférieures à
la valeur limite visée ~660 MPa).
Sur du métal conforme à l'invention (Rep. 12, tableau II) et non conforme à l'invention (Rep. E, tableau V), nous avons procédé au test de solidification suivant:
- prélèvement de 200 g de métal dans les~billettes coulées en série continue, - fusion du prélèvement à 735 C. 5C.
- refroidissèment à 632C. à raison de 0,5 à 1 C/minute, - maintien 2 h à 632C. (début de solidification de l'alliage .
à 628C.), - sortie du four et refroidissement rapide.
Sur l'alliage conforme à l'invention, la structure micrographique du lingot dans son 1/3 inférieur est représentée par la figure l au grossissement 200. On n'observe aucun com-posé de taille supérieure à 35 microns dans sa~ plu5 grande di-mension. De plus, tous les composés hors solution sont observés dans les espaces interdendritiques~ Une bonne partie d'entre eux est d'ailleurs résolue par traitements thermiques ultérieurs.

- 30 Au contraire, dans le cas de l'alliage sortant du domaine de l'invention; (Cr 0,22 %, Mn 0,27 ~, Zr 0,13 %), il est possible d'observer des composés intermétalliques primaires ~. 6 .~ .

, , !

de forme polyédrique, de dimension supérieure à 100 microns et groupés en colonies (flgure 2). Ces cristaux ne peuvent etre confondus avec ceux cle la figure 1, ni par leur dimension, ni par leur ~ituation, ni en~in par leur évolution en aours de transformation. Ils ne sub.issent, en efet, aucune modification par l'~fEet des traitements therm.iques. Ils se fragmentent et s'alignent, en restant contigus, dans.la direction princi-pale de la déformation, avec toutes les.conséquences qu'impli- -que cette configuration sur.la fragilité du produit. ~-TABLEAU I .
_~ :
Composition de l'alliage 704~ A (en % en poids) ~ . . _. ._1. ~ . .. __ .
Sl ~ n ,40 ~ % autres Fe ~ 0,50 (chacun~ 0,05 %
`Cu = 1,2 à 1,9 % (total) 0,15 .Mn ~. 0,50 % Res.te Al Mg = 2,1 à 3,1 %
Cr = 0,05 à 0,25 % . .
zn = 7,2 à 8,4 %
Ti + zr ~ 0,25 % ~ . ..

-'~

., : :
.

. 7 .
` .
. , TABLEAU II
__ COMPOSITION CHIMIQU~ DES ALLIAGES
___ , ~ __ __ _ __ .
~ ll.iages Fe Si Zn Mg Cu Cr. Zr Mn Ti . ____ ._ __ _._ __ _ _ _ 1 0,13 0,06 8,2 2,75 1,65 0 0 0 0,07 . 2 0,13 0,06 8,.1 2,8 .1,62 0,19 0 0 0,07 3 0,13 o,06 8,1 2.,7 1,6 0,07 0 0 0,07 4 0,13 0,06 8 2,7 1,64 0 0,08 0 . 0,07 . 5 0,13 0,~6 7,8 2~8 1,6 0 0 0,15 0,07 6 0,13 0,06. 8,1 2,65 1,6 0,07 0,08 0 0,07 .7 0,13 0,06 8,.1 2,7 1,65 0 0,08 0,15 0,07 8 0,13 0,06 8 2,6 1,7 0,07 0 0,15 ~ 0,07 l _ . _ _ __ _ 9 0,13 0,06 8,2 2t6 1,6 0,07 0,08 0,15 0,07 0,13 0,06 8,2 2,69 1j58 0,07 0,13 0,25 0,07 11 0,12 0,06 8,1 2,70 1,58 0,13 0,10 U,15 0,07 12 0,13 0,06 8,0 2,65 1,60 0,13 0,12 0,15 0,07 TABLEAV III
. . _ . _ . _ : ~ ~ . _ AlliageR O,~ Rm A RE
~ MPa MPa . .~ MPa . . _ .. . ~ _ 1 589 608 14,4 ~ 608 2 607 .666 7,1 : 675 .. 3 597 ~ 633 10 641

5.90. 610 13 610 .. _...... .. 6 .644 . 66~ 8,7 669 7 615 652 :12 660 8 591. 631 12 ~38 ____________~. _______ _____ ________ ____. __ ______ _____ __ g 635 674 9,5 675 10 .663 703 9,2 692 .
11 658 697 - 9,9 691 12 1 651 70~ g,5 686 ~ .- . . ___ _ .

,. .

' ' ' 9~ 1 TABLEAU IV

_ _ _ __ ._ ~ _ -- a R IO,2 ~ Rm ~ A~ RE ¦
Xep. ~ssais L~ ~ ~MP~) (~Pa) ~96) (MPa) ____ . . , _~ . __ A 3/1 Cr : 0~078~ 25 -4,434 .~ ~ 4/l Zr: 0,0819 31 -2,432 C 5/1 Mn: 0,15 1 2 -1,4 2 , _ _ _ _ ..
A ~ B ~ C _ _ 28, 58 -8, 268 ___ ~ _ , ___ _ D 9/1 Cr : 0,07 66 -4~967 invention) . tZr : 0 ,08 46j . 66 -4,9 67 . _ tMn O 0 ,15 ~ _ - --; _ ._ . .
TABLEAU V

_. ~ ~ Contraintes en Rep, Composition chimique ~96 en,poids) t de __~__________________________ ____ ____ ravers au mc, coulé~ Fe Si Cu Zn Mg Mn Cr Zr ment dQ llécar-r __ _ . 1 . _ _ 5 5 4 hP a E 0,11 0,06 1,58 8 j25 2,61 0,33 0,22 0,12 618 MPa -~ -_ _ . . _ . _ ~ _ ~ .
. 591 MPa .
F 0,14 0,07 1,60 8,21 2,65 0,27 0,22 0,13 598 MPa . . .............. . . 623 MPa _ ,, __ _ _ .
G 0 ,13 0, 04 1, 53 8, 25 2, 58 0, 27 0, 24 0 ,14 59~ KP~

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Claims

Les revendications de l'inventions, au sujet desquelles Un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé d'obtention de corps creux résistant à
une pression interne ayant une charge de rupture et une con-trainte d'éclatement supérieures ou égales à 660 MPa et un allongement de rupture en long surpérieur ou égal à 9 % pour Rm = 660 MPa, caractérisé par les étapes suivantes:
- on élabore un alliage contenant (% en poids):
- on coule et on transforme à chaud l'alliage homogénéisé sous forme de tube, et on rétreint à chaud au moins une des deux extrémités du tube;

- on le traite thermiquement par mise en solution, trempe et revenu (étant T6).

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que l'alliage contient au plus 0,01 % V (en poids).

3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que la transformation à chaud de l'alliage homogénéisé
sous forme de tube est réalisée par filage inverse.

4. Produit obtenu selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la structure de coulée d'un lingotin issu du produit et ayant subi un test de solidification spécifique, ne présente sur coupe micrographique que des amas de composés intermétalliques primaires dont la longueur cumulée est infé-rieure à 35 µm et/ou des particules de composés intermétalliques primaires isolées dont la plus grande dimension est inférieure à 35 µm.