CA2475700A1 - Bandes minces en alliage aluminium-fer - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 30 et 150 ~im, en alliage de composition (% en poids) : Si &l t; 0,4 Fe : 1,5 - 1,9 Mn: 0,04 - 0,15 autres éléments ; < 0,05 chacun et 0,1 5 au total, reste aluminium. Ces bandes sont utilisées notamment pour la fabrication de barquettes et plats pour la distribution de denrées alimentaires et la restauration rapide.
Description
Bandes minces en alliage aluminium-fer Domaine de l'invention L'invention concerne des bandes minces, typiquement d'épaisseur comprise entre et 150 ~.m, en alliage du type aluminium-fer, aptes à l'emboutissage, destinées notamment à l'emballage, et plus particulièrement à la fabrication de barquettes et de lo plats minces pour la distribution de denrées alimentaires et la restauration rapide.
Etat de la technique Les alliages Al-Fe de la série 8000 selon la nomenclature de l'Aluminum Association sont largement utilisés pour la fabrication de feuilles ou bandes minces destinées à l'emballage. Leur fabrication peut se faire, soit de manière conventionnelle par coulée d'une plaque, laminage à chaud, puis à froid, avec un ou plusieurs recuits intermédiaires et le plus souvent un recuit final, soit par coulée continue, par exemple entre deux cylindres, et laminage à froid, et éventuellement un ou plusieurs recuits.
La coulée continue de bandes permet, pour un coût d'investissement modéré, d'obtenir dans une assez large gamme d'alliages des bandes qui ne nécessitent pas de laminage à chaud ultérieur. Ces dernières années, des progrès importants ont été faits par les fabricants de machines de coulée pour diminuer l'épaisseur de la bande coulée qui peut descendre dans certains cas jusqu'à environ 1 mm, ce qui diminue d'autant le laminage à froid à effectuer.
L'utilisation de la coulée continue, dans la mesure où les conditions de solidification sont différentes du procédé habituel, conduit à une microstructure différente.
Ainsi, le brevet US 3989548 d'Alcan, publié en 1976, décrit (exemple 9) des alliages 3o d'aluminium contenant l'un au moins des éléments Fe, Mn, Ni ou Si coulés en bandes par coulée continue entre cylindres à une épaisseur de 7 mm. La structure de la bande coulée présente des bâtonnets de composés intermétalliques fragiles de diamètre compris entre 0,1 et 1,5 gym, qu'un laminage à froid avec une réduction
Etat de la technique Les alliages Al-Fe de la série 8000 selon la nomenclature de l'Aluminum Association sont largement utilisés pour la fabrication de feuilles ou bandes minces destinées à l'emballage. Leur fabrication peut se faire, soit de manière conventionnelle par coulée d'une plaque, laminage à chaud, puis à froid, avec un ou plusieurs recuits intermédiaires et le plus souvent un recuit final, soit par coulée continue, par exemple entre deux cylindres, et laminage à froid, et éventuellement un ou plusieurs recuits.
La coulée continue de bandes permet, pour un coût d'investissement modéré, d'obtenir dans une assez large gamme d'alliages des bandes qui ne nécessitent pas de laminage à chaud ultérieur. Ces dernières années, des progrès importants ont été faits par les fabricants de machines de coulée pour diminuer l'épaisseur de la bande coulée qui peut descendre dans certains cas jusqu'à environ 1 mm, ce qui diminue d'autant le laminage à froid à effectuer.
L'utilisation de la coulée continue, dans la mesure où les conditions de solidification sont différentes du procédé habituel, conduit à une microstructure différente.
Ainsi, le brevet US 3989548 d'Alcan, publié en 1976, décrit (exemple 9) des alliages 3o d'aluminium contenant l'un au moins des éléments Fe, Mn, Ni ou Si coulés en bandes par coulée continue entre cylindres à une épaisseur de 7 mm. La structure de la bande coulée présente des bâtonnets de composés intermétalliques fragiles de diamètre compris entre 0,1 et 1,5 gym, qu'un laminage à froid avec une réduction
2 d'au moins 60% brise en fines particules de taille inférieure à 3 ~,. Les bandes obtenues présentent un bon compromis entre la résistance mécanique et la formabilité.
Le brevet US 5380379 d'Alcoa Aluminio de Nordeste concerne la fabrication, par coulée continue entre cylindres, de feuilles très minces en alliages contenant de 1,35 à 1,6% de fer, de 0,3 à 0,6% de manganèse, de 0,1 à 0,4% de cuivre et moins de 0,2% de silicium. La teneur en silicium est limitée par l'apparition de phases intermétalliques de type AIFeSi ou AIMnSi, tandis que la présence de cuivre est nécessaire pour conférer au produit une résistance mécanique suffisante.
1 o La demande de brevet WO 98/52707 de la demanderesse décrit un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium contenant (en poids) l'un au moins des éléments Fe (de 0,15 à 1,5%) ou Mn (de 0,35 à 1,9%) avec Fe + Mn < 2,5%, et contenant éventuellement Si (< 0,8%), Mg (< 0,2%), Cu (< 0,2%) par coulée continue entre cylindres refroidis et frettés à une épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, suivie d'un laminage à froid. Les bandes obtenues présentent à la fois une limite d'élasticité supérieure à celle des bandes issues du procédé conventionnel, et une bonne formabilité.
La fabrication de barquettes et plats minces destinés à des aliments préparés requiert des bandes présentant une bonne résistance mécanique, une bonne formabilité, en 2o particulier pour des emboutis assez profonds, et une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques, notamment pour les produits circulaires. Un alliage utilisé fréquemment pour cette application est l'alliage 8021B, dont la composition enregistrée à l'Aluminum Association est la suivante (% en poids) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti < 0,40l,l-1,7< 0,05< 0,03< 0,01< 0,03 < 0,05< 0,05 as L'invention a pour but d'améliorer le compromis entre la résistance mécanique, la formabilité et l'isotropie des propriétés mécaniques par rapport à cet alliage de référence.
3o Objet de l'invention
Le brevet US 5380379 d'Alcoa Aluminio de Nordeste concerne la fabrication, par coulée continue entre cylindres, de feuilles très minces en alliages contenant de 1,35 à 1,6% de fer, de 0,3 à 0,6% de manganèse, de 0,1 à 0,4% de cuivre et moins de 0,2% de silicium. La teneur en silicium est limitée par l'apparition de phases intermétalliques de type AIFeSi ou AIMnSi, tandis que la présence de cuivre est nécessaire pour conférer au produit une résistance mécanique suffisante.
1 o La demande de brevet WO 98/52707 de la demanderesse décrit un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium contenant (en poids) l'un au moins des éléments Fe (de 0,15 à 1,5%) ou Mn (de 0,35 à 1,9%) avec Fe + Mn < 2,5%, et contenant éventuellement Si (< 0,8%), Mg (< 0,2%), Cu (< 0,2%) par coulée continue entre cylindres refroidis et frettés à une épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, suivie d'un laminage à froid. Les bandes obtenues présentent à la fois une limite d'élasticité supérieure à celle des bandes issues du procédé conventionnel, et une bonne formabilité.
La fabrication de barquettes et plats minces destinés à des aliments préparés requiert des bandes présentant une bonne résistance mécanique, une bonne formabilité, en 2o particulier pour des emboutis assez profonds, et une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques, notamment pour les produits circulaires. Un alliage utilisé fréquemment pour cette application est l'alliage 8021B, dont la composition enregistrée à l'Aluminum Association est la suivante (% en poids) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti < 0,40l,l-1,7< 0,05< 0,03< 0,01< 0,03 < 0,05< 0,05 as L'invention a pour but d'améliorer le compromis entre la résistance mécanique, la formabilité et l'isotropie des propriétés mécaniques par rapport à cet alliage de référence.
3o Objet de l'invention
3 PCT/FR03/00452 L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 30 et 150 ~,m, en alliage de composition (% en poids) Si < 0,4 Fe : 1,5 - 1,9 Mn : 0,04 - 0,15 autres éléments ; < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de bandes en alliage de cette composition par coulée continue entre cylindres d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, éventuellement l'homogénéisation de cette bande entre 420 et 550°C, le laminage à froid de cette bande jusqu'à l'épaisseur finale avec éventuellement un recuit intermédiaire de 1 à 4 h entre 300 et 350°C, et un recuit lo final à une température comprise entre 200 et 430°C d'une durée d'au moins 30 h.
L'invention a aussi pour objet l'utilisation de ces bandes pour des plats et barquettes pour produits alimentaires.
Description de l'invention L'alliage utilisé pour les tôles et bandes selon l'invention se caractérise par une teneur en fer comprise entre 1,5 et 1,9%, plus élevée que celle utilisée habituellement pour l'alliage 8021B destiné à la fabrication des plats et barquettes.
L'avantage d'une teneur plus élevée en fer réside dans l'amélioration de la résistance mécanique ; cet 2o effet est encore plus marqué lorsque les bandes sont obtenues par coulée continue entre cylindres. Le teneur en fer doit rester inférieure à 1,9% pour éviter de s'approcher trop près de la teneur eutectique AIFe, et donc de voir apparaître des phases primaires grossières AIFe.
L'autre caractéristique est une teneur en manganèse se situant entre 0,04 et 0,15%.
Cette addition a un effet favorable sur la résistance mécanique, tout en maintenant un niveau élevé d' allongement, le compromis entre ces propriétés habituellement antagonistes étant nettement amélioré lorsqu'on produit les bandes par coulée continue. Au delà de 0,15% de manganèse, celui-ci joue plus nettement son rôle anti recristallisant, ce qui risque de nuire à l'efficacité du recuit final, nécessaire pour l'obtention d'une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques.
La fabrication des tôles et bandes selon l'invention se fait de préférence par coulée continue d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm entre deux cylindres refroidis et frettés (« twin-roll casting »). La bande coulée peut être homogénéisée,
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de bandes en alliage de cette composition par coulée continue entre cylindres d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, éventuellement l'homogénéisation de cette bande entre 420 et 550°C, le laminage à froid de cette bande jusqu'à l'épaisseur finale avec éventuellement un recuit intermédiaire de 1 à 4 h entre 300 et 350°C, et un recuit lo final à une température comprise entre 200 et 430°C d'une durée d'au moins 30 h.
L'invention a aussi pour objet l'utilisation de ces bandes pour des plats et barquettes pour produits alimentaires.
Description de l'invention L'alliage utilisé pour les tôles et bandes selon l'invention se caractérise par une teneur en fer comprise entre 1,5 et 1,9%, plus élevée que celle utilisée habituellement pour l'alliage 8021B destiné à la fabrication des plats et barquettes.
L'avantage d'une teneur plus élevée en fer réside dans l'amélioration de la résistance mécanique ; cet 2o effet est encore plus marqué lorsque les bandes sont obtenues par coulée continue entre cylindres. Le teneur en fer doit rester inférieure à 1,9% pour éviter de s'approcher trop près de la teneur eutectique AIFe, et donc de voir apparaître des phases primaires grossières AIFe.
L'autre caractéristique est une teneur en manganèse se situant entre 0,04 et 0,15%.
Cette addition a un effet favorable sur la résistance mécanique, tout en maintenant un niveau élevé d' allongement, le compromis entre ces propriétés habituellement antagonistes étant nettement amélioré lorsqu'on produit les bandes par coulée continue. Au delà de 0,15% de manganèse, celui-ci joue plus nettement son rôle anti recristallisant, ce qui risque de nuire à l'efficacité du recuit final, nécessaire pour l'obtention d'une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques.
La fabrication des tôles et bandes selon l'invention se fait de préférence par coulée continue d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm entre deux cylindres refroidis et frettés (« twin-roll casting »). La bande coulée peut être homogénéisée,
4 notamment dans le cas où on souhaite favoriser l'allongement plutôt que la résistance mécanique. Cette homogénéisation doit se faire à une température pas trop élevée, entre 420 et 550°C, pour éviter de trop dégrader la résistance mécanique. Si les exigences en matière d'allongement sont moins contraignantes, l'homogénéisation n'est pas indispensable.
La bande est ensuite laminée à froid avec le nombre de passes nécessaires jusqu'à
l'épaisseur finale comprise entre 30 et 150 ~,m. Ce laminage à froid peut se faire avec ou sans recuit intermédiaire. Lorsque le recuit intermédiaire est nécessaire, il doit être relativement court, de l'ordre de 1 à 4 h, et se faire à une température pas trop 1o élevée, typiquement entre 300 et 350°C, pour éviter un grossissement du grain. Mais il est possible, lorsqu'on ne recherche pas des valeurs très élevées pour l'allongement, d'éviter à la fois l'homogénéisation et le recuit intermédiaire, ce qui rend la gamme de fabrication particulièrement simple.
La bande laminée est ensuite recuite à une température comprise entre 200 et 400°C, d'une durée d'au moins 30 h, de manière à obtenir une structure recristallisée. Ce recuit peut s'effectuer en un ou plusieurs paliers de température, par exemple un premier palier entre 200 et 300°C, et un second entre 300 et 400°C. On découpe ensuite la bande en tôles si nécessaire.
On obtient ainsi une amélioration de la résistance à la rupture Rm et de la limite 2o d'élasticité Ro,2 de l'ordre de 5% par rapport à l'alliage 8021B classique, avec un allongement du même ordre et un écart plus faible entre les valeurs de Rm et de R0,2 mesurées dans le sens du laminage (sens long) et dans le sens perpendiculaire (sens travers). Ces propriétés sont particulièrement adaptées à la fabrication des plats et barquettes.
Exemples Exemple 1 3o Sur une machine de coulée 3C~ de la société Pechiney Rhenalu, on a coulé
des bandes d'épaisseur 7 mm en deux alliages A (8021B classique) et B selon l'invention, dont les compositions sont indiquées au tableau 1 Tableau 1 Alliage Fe Si Mn Cu Ti A 1,25 0,22 0,02 0,005 0,007 B 1,55 0,18 0,085 0,007 0,009 Ces bandes ont été laminées à froid sans recuit intermédiaire jusqu'à
l'épaisseur
La bande est ensuite laminée à froid avec le nombre de passes nécessaires jusqu'à
l'épaisseur finale comprise entre 30 et 150 ~,m. Ce laminage à froid peut se faire avec ou sans recuit intermédiaire. Lorsque le recuit intermédiaire est nécessaire, il doit être relativement court, de l'ordre de 1 à 4 h, et se faire à une température pas trop 1o élevée, typiquement entre 300 et 350°C, pour éviter un grossissement du grain. Mais il est possible, lorsqu'on ne recherche pas des valeurs très élevées pour l'allongement, d'éviter à la fois l'homogénéisation et le recuit intermédiaire, ce qui rend la gamme de fabrication particulièrement simple.
La bande laminée est ensuite recuite à une température comprise entre 200 et 400°C, d'une durée d'au moins 30 h, de manière à obtenir une structure recristallisée. Ce recuit peut s'effectuer en un ou plusieurs paliers de température, par exemple un premier palier entre 200 et 300°C, et un second entre 300 et 400°C. On découpe ensuite la bande en tôles si nécessaire.
On obtient ainsi une amélioration de la résistance à la rupture Rm et de la limite 2o d'élasticité Ro,2 de l'ordre de 5% par rapport à l'alliage 8021B classique, avec un allongement du même ordre et un écart plus faible entre les valeurs de Rm et de R0,2 mesurées dans le sens du laminage (sens long) et dans le sens perpendiculaire (sens travers). Ces propriétés sont particulièrement adaptées à la fabrication des plats et barquettes.
Exemples Exemple 1 3o Sur une machine de coulée 3C~ de la société Pechiney Rhenalu, on a coulé
des bandes d'épaisseur 7 mm en deux alliages A (8021B classique) et B selon l'invention, dont les compositions sont indiquées au tableau 1 Tableau 1 Alliage Fe Si Mn Cu Ti A 1,25 0,22 0,02 0,005 0,007 B 1,55 0,18 0,085 0,007 0,009 Ces bandes ont été laminées à froid sans recuit intermédiaire jusqu'à
l'épaisseur
5 finale de 58 ~,m en 9 passes avec arréts successifs à 4,7 mm, 2,7 mm, 1,5 mm, 0,9 mm, 0,6 mm, 0,41 mm, 0,21 mm, 0,12 mm et 0,08 mm. Elles ont ensuite subi un recuit de 20 h à 260°C, puis 65 h à 340°C.
On a ensuite mesuré sur les 2 bandes la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité Ro,2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %), dans le sens long et lo dans le sens travers. Les résultats sont indiqués au tableau 2 Tableau 2 Alliage Rm sens Ro,2 A sens Rm sens Ro,2 sensA sens L sens L T T T
L
A 138 121 20,5 136 123 21 B 149 130 22,5 145 131 22,5 On constate que Rm et Ro,2 sont plus élevés pour B, que les allongements sont aussi bons et que la différence entre les résultats sens L et sens T sont réduites.
Exemple 2 2o On a coulé deux bobines en alliages C de type 8021B et I) selon l'invention, dont la composition est indiquée au tableau 3 Tableau 3 Alliage Fe Si Mn Cu Ti C 1,17 0,12 0,005 0,008 0,010 D ~ 1,63 ~ 0,04 ~ 0,09 ~ 0,007 0,006
On a ensuite mesuré sur les 2 bandes la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité Ro,2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %), dans le sens long et lo dans le sens travers. Les résultats sont indiqués au tableau 2 Tableau 2 Alliage Rm sens Ro,2 A sens Rm sens Ro,2 sensA sens L sens L T T T
L
A 138 121 20,5 136 123 21 B 149 130 22,5 145 131 22,5 On constate que Rm et Ro,2 sont plus élevés pour B, que les allongements sont aussi bons et que la différence entre les résultats sens L et sens T sont réduites.
Exemple 2 2o On a coulé deux bobines en alliages C de type 8021B et I) selon l'invention, dont la composition est indiquée au tableau 3 Tableau 3 Alliage Fe Si Mn Cu Ti C 1,17 0,12 0,005 0,008 0,010 D ~ 1,63 ~ 0,04 ~ 0,09 ~ 0,007 0,006
6 La ganune de transformation est identique à celle de l'exemple 1, à ceci près que l'on a ajouté un recuit intermédiaire de 2 h à 340°C à l'épaisseur 0,6 mm.
Les caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au tableau 4:
Alliage Rm (L) Ro,2 A (L) Rm (T) Ro,2 A (T) (L) (T) D 143 127 24 146 129 23,5 La comparaison des résultats entre les alliages C et D conduit aux mémes remarques qu'à l'exemple précédent. De plus, on constate que, bien que l'alliage D soit un peu plus chargé en fer, l'introduction dans la gamme d'un recuit intermédiaire conduit, lo par rapport à l'alliage B de l'exemple 1, à une légère baisse de Rm et Ro,2, et à une légère augmentation de l' allongement.
Exemple 3 On a coulé deux bobines en alliages E (8021B) et F (selon l'invention) dont les compositions sont indiquées au tableau 5 Tableau 5 Alliage Fe Si Mn Cu Ti E 1,21 0,08 0,007 0,005 0,007 F 1,72 0,06 0,12 0,009 0,007 La gamme de fabrication est identique à celle de l'exemple 2, avec en plus une homogénéisation de la bande coulée de 10 h à 520°C. Les caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au tableau 6
Les caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au tableau 4:
Alliage Rm (L) Ro,2 A (L) Rm (T) Ro,2 A (T) (L) (T) D 143 127 24 146 129 23,5 La comparaison des résultats entre les alliages C et D conduit aux mémes remarques qu'à l'exemple précédent. De plus, on constate que, bien que l'alliage D soit un peu plus chargé en fer, l'introduction dans la gamme d'un recuit intermédiaire conduit, lo par rapport à l'alliage B de l'exemple 1, à une légère baisse de Rm et Ro,2, et à une légère augmentation de l' allongement.
Exemple 3 On a coulé deux bobines en alliages E (8021B) et F (selon l'invention) dont les compositions sont indiquées au tableau 5 Tableau 5 Alliage Fe Si Mn Cu Ti E 1,21 0,08 0,007 0,005 0,007 F 1,72 0,06 0,12 0,009 0,007 La gamme de fabrication est identique à celle de l'exemple 2, avec en plus une homogénéisation de la bande coulée de 10 h à 520°C. Les caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au tableau 6
7 Tableau 6 Alliage Rm (L) Rp,2 A (L) Rm (T) Rp,2 A (T) (L) (T) F 134 121 25 132 114 24,5 La comparaison des alliages E et F conduit aux mêmes remarques qu'aux deux exemples précédents. De plus, l'introduction d'une homogénéisation conduit pour l'alliage F, par rapport à l'alliage D de l'exemple 2, à une légère baisse de Rm et Rp,2, et une légère amélioration de l'allongement. Ainsi, l'introduction dans la gamme d'une homogénéisation et/ou d'un recuit intermédiaire dépend du compromis recherché entre la résistance mécanique et la formabilité.
lo
lo
Claims (3)
1. Utilisation de bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 30 et 150 µm, et en alliage de composition (% en poids) Si < 0,4 Fe : 1,5 -1,9 Mn : 0,04 - 0,15 autres éléments : < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium, pour la fabrication de plats et barquettes pour aliments,
2. Procédé de fabrication de plats et barquettes pour aliments comportant:
a. La préparation d'un alliage d'aluminium de composition (% en poids) Si < 0,4 Fe : 1,5 - 1,9 Mn : 0,04 - 0,15 autres éléments : < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium, b. La coulée continue entre cylindres d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, c. Eventuellement l'homogénéisation de cette bande entre 420 et 550°C, d. Le laminage à froid de cette bande jusqu'à l'épaisseur finale entre 30 et 150 µm, avec éventuellement un recuit intermédiaire de 1 à 4 h entre 300 et 350°C, e. Un recuit final à une température comprise entre 200 et 430°C d'une durée d'au moins 30 h.
f. La mise en forme finale pour obtention des plats ou barquettes.
a. La préparation d'un alliage d'aluminium de composition (% en poids) Si < 0,4 Fe : 1,5 - 1,9 Mn : 0,04 - 0,15 autres éléments : < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium, b. La coulée continue entre cylindres d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, c. Eventuellement l'homogénéisation de cette bande entre 420 et 550°C, d. Le laminage à froid de cette bande jusqu'à l'épaisseur finale entre 30 et 150 µm, avec éventuellement un recuit intermédiaire de 1 à 4 h entre 300 et 350°C, e. Un recuit final à une température comprise entre 200 et 430°C d'une durée d'au moins 30 h.
f. La mise en forme finale pour obtention des plats ou barquettes.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le recuit final se fait en 2 paliers, le premier entre 200 et 300°C, le second entre 300 et 430°C.
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