EP0020282B1 - Procédé de fabrication de corps creux en alliage d'aluminium et produits ainsi obtenus - Google Patents

Procédé de fabrication de corps creux en alliage d'aluminium et produits ainsi obtenus Download PDF

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EP0020282B1 EP80420064A EP80420064A EP0020282B1 EP 0020282 B1 EP0020282 B1 EP 0020282B1 EP 80420064 A EP80420064 A EP 80420064A EP 80420064 A EP80420064 A EP 80420064A EP 0020282 B1 EP0020282 B1 EP 0020282B1
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Jean Coupry
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Metallurgigue de Gerzat
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/10—Alloys based on aluminium with zinc as the next major constituent

Definitions

  • This invention relates to a method for manufacturing hollow bodies of aluminum alloy and to the products thus obtained, which have high ductility (in the long direction) and high toughness (in the cross direction) when they are treated with resistance levels higher than 660 MPa.
  • alloys A-ZBGU (or 7049A) according to the AFNOR 50-411 standard, the analysis of which is given in Table 1, are particularly used in the manufacture of hollow bodies under pressure, because of the high mechanical characteristics which they acquire in the quenched-tempered state (state T6).
  • the aim of this invention is therefore to solve this problem by a suitable choice partially covering the field of alloy 7049A, which makes it possible to obtain, according to the process, products having high ductility and toughness characteristics, and, by therefore, great job security.
  • the general composition of the alloys according to the invention is as follows (by weight):
  • the V content is limited to a content of less than 0.01%.
  • the products are transformed in the following way: - homogenization between 460 and 490 ° C of the cast billets, hot deformation between 320 and 420 ° C, including possibly the shrinking of one (or both) end ( s) in the case of the production of hollow bodies, dissolving between 460 and 480 ° C. and tempering suitable for obtaining a breaking load (long direction) and a limit burst stress (transverse direction) greater than or equal to 660 MPa .
  • the hot deformation is preferably carried out by reverse spinning; homogenization, dissolution and income conditions may be different from those indicated above without departing from the scope of the invention.
  • the alloys marked 1 to 12 were vertically semi-continuously cast in 0 185 mm billets, which were homogenized 24 h at 450 ° C. These billets were machined at 0 170 mm and drilled with a central hole 0 70 mm for reverse spinning of tubes 0 82 x 67.5 mm at a temperature of 365 ° C.
  • the tubes thus obtained were subjected to tensile tests in a direction parallel to the generatrices of the tube and to bursting tests under hydraulic pressure (longitudinal tear).
  • the breaking load (Rm), the elastic limit (R 0.2), the elongation (A%) and the bursting stress (RE) were noted.
  • alloys 1 to 8 the composition of which is outside the scope of the invention, while alloys 9 to 12, according to the invention, achieve them.
  • the micrographic structure of the ingot in its lower 1/3 is represented by FIG. 1 at 200 magnification. No compound larger than 35 microns in its largest dimension is observed. In addition, all the compounds out of solution are observed in the interdendritic spaces. A good part of them is moreover resolved by subsequent heat treatments.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Pressure Vessels And Lids Thereof (AREA)
  • Extrusion Of Metal (AREA)

Description

  • Cette invention se rapporte à un procédé de fabrication de corps creux en alliage d'aluminium et aux produits ainsi obtenus, qui possèdent une grande ductilité (dans le sens long) et une grande ténacité (dans le sens travers) lorsqu'ils sont traités à des niveaux de résistance supérieurs à 660 MPa.
  • On sait que les alliages A-ZBGU (ou 7049A) 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 raison des hautes caractéristiques mécaniques qu'ils acquièrent à l'état trempé-revenu (état T6).
  • On connait en particulier l'alliage décrit dans le brevet russe SU-A-155 001, lequel est un alliage type A-Z8GU pour l'obtention de tubes filés qui présentent une haute résistance mécanique (Rm en long≥680 MPa) mais par contre pour lesquels la ductilité sens long et travers, est très limitée (A% ≥ 2%). Il est à remarquer que la teneur en Cr est limitée dans cet alliage à 0,1 % en poids.
  • Or, de tels 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 invention est donc de résoudre ce problème par un choix convenable couvrant partiellement le domaine de l'alliage 7049A, 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 recristallisation dans les alliages d'AI (voir ALTENPOHL, »Un regard à l'intérieur de l'aluminium«, éd. française, 1976, p 148).
      Or, en vue d'obtenir les très hautes caractéristiques mécaniques recherchées, l'alliage est, en effet, utilisé à l'état non recristallisé avec effet de presse, même après les traitements de mise en solution, trempe et revenu.
    • 2) En augmentant au-delà des limites habituelles les teneurs en éléments 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 même des impuretés telles que le V.
  • La composition générale des alliages suivant l'invention est la suivante (en poids):
    Figure imgb0001
  • Dans une composition préférentielle, la teneur en V est limitée à une teneur inférieure à 0,01 %.
  • Dans le procédé, les produits sont transformés de la façon suivante: - homogénéisation entre 460 et 490° C des billettes coulées, déformation à chaud entre 320 et 420°C, y compris éventuellement le rétreint d'une (ou des deux) extrémité(s) dans le cas de fabrication de corps creux, mise en solution entre 460 et 480° C 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 conditions 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 10=5,65√S, S étant la section de l'éprouvette. La déformation 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 cidessus sans sortir du domaine de l'invention.
  • La contrainte d'éclatement (RE) lors de l'épreuve hydraulique est donnée par la formule classique:
    Figure imgb0002
    dans laquelle
    • e: est l'épaisseur minimum du tube ou du corps creux (supposé sensiblement cylindrique circulaire),
    • D: est le diamètre moyen du cylindre, soit
      Figure imgb0003
    • p: est la pression d'éclatement.
  • Il a été constaté que les éléments Cr, Mn, Zr ont un effet synergétique imprévisible, c'est-à-dire que leur action globale sur les caractéristiques mécaniques 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-après. Il n'était donc pas du tout évident de choisir cette combinaison particulière de teneurs en ces éléments pour obtenir les propriétés recherchées.
  • Les alliages suivant l'invention répondent au test de contrôle suivant:
    • - 200 g d'alliage environ sont refondus à 735°C±5°°C dans un creuset de graphite poteyé d'alumine.
    • - on soumet ensuite l'ensemble à un refroidissement lent en four, à raison de 0,5 à 1°C/min. suivi d'un palier de 2 h à une température supérieure à 2°C à 4°C 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 inférieure du lingotin ainsi obtenu, ne révèle que des amas de constituants intermétalliques primaires ou de particules intermétalliques individuelles massives, non dendritiques, de forme générale polygonale, de longueur inférieure à 35 µm dans leur plus grande dimension.
  • Les particules sont considérées comme faisant partie d'un amas lorsque la distance interparticulaire est inférieure ou égale à plus grande dimension de la particule considérée. 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 exemples suivants:
    • Exemple 1
  • Les alliages repérés 1 à 12 dont les compositions (% en poids) sont reportées au tableau Il ont été coulés en semi-continu verticalement, en billettes 0 185 mm, qui ont été homogénéisées 24 h à 450° C. Ces billettes ont été usinées à 0 170 mm et forées d'un trou central 0 70 mm pour filage inverse de tubes 0 82 x 67,5 mm à une température de 365° C.
  • Les tubes ont été ensuite traités de la façon suivante:
    • - mise en solution à 460° C pendant 45 minutes
    • - trempe à l'eau froide (10-15° C)
    • - revenu à 125° C 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 limité élastique (R 0,2), l'allongement (A%) et la contrainte d'éclatement (RE).
  • Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau III.
  • Les effets individuels des additions de 0,07% Cr (rep. A), de 0,08% 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 largement inférieure à celle des additions conjointes (ligne D suivant l'invention) de l'ensemble de ces éléments sur les caractéristiques 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 éléments, imprévisible a priori, est bien démontré.
  • Par ailleurs, on constate bien que les caractéristiques visées ne sont pas atteintes pour les alliages 1 à 8 dont la composition est hors du domaine de l'invention alors que les alliages 9 à 12, selon l'invention, les atteignent.
    • Exemple 2
  • Trois coulées en semi-continu d'alliage 7049A, sortant des limites de composition de la présente invention, ont été effectuées. Les analyses obtenues sont reportées au tableau V.
  • Celles-ci ont été transformées en tubes dans les conditions de l'exemple 1 par filage inverse, et ceux-ci ont été rétreints et traités à l'état T6 par mise en solution à 465° ±5°C, 45 mn, trempe eau et revenu 125°C, 20 h. Les contraintes 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±5° C,
    • - refroidissement à 632°C à raison de 0,5 à 1°C/minute,
    • - maintien 2 h à 632° C (début de solidification de l'alliage à 628° C),
    • - 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 1 au grossissement 200. On n'observe aucun composé de taille supérieure à 35 microns dans sa plus grande dimension. 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.
  • 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 primaire de forme polyédrique, de dimension supérieure à 100 microns et groupés en colonies (figure 2). Ces cristaux ne peuvent être confondus avec ceux de la figure 1, ni par leur dimension, ni par leur situation, ni enfin par leur évolution en cours de transformation. Ils ne subissent, en effet, aucune modification par l'effet des traitements thermiques. Ils se fragmentent et s'alignent, en restant contigus, dans la direction principale de la déformation, avec toutes les conséquences qu'implique cette configuration sur la fragilité du produit.
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008

Claims (3)

1. Procédé d'obtention de corps creux résistant à une pression interne ayant une charge de rupture et une contrainte d'éclatement supérieures ou égales à 660 MPa et un allongement de rupture en long supérieur ou égal à 9% pour Rm=660 MPa, caractérisé par les étapes suivantes:
- on élabore un alliage contenant (% en poids):
Figure imgb0009
- on coule et on transformé à chaud l'alliage homogénéisé sous forme de tube, de préférence par filage inverse, et on rétreint à chaud une (ou les deux) extrémité(s).
- on le traite thermiquement par mise en solution, trempe et revenu (état T6).
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage contient moins de 0,01% V (en poids).
3. Produit obtenu selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure de coulée d'un lingotin issu du produit et ayant subi le test de solidification suivant:
- 200 g d'alliage environ sont refondus à 735° C±5° C dans un creuset de graphite poteyé d'alumine
- on soumet ensuite l'ensemble à un refroidissement lent en four, à raison de 0,5 à 1 ° C/min. suivi d'un palier de 2 h à une température supérieure à 2 à 4°C à celle du début de solidification de l'alliage (liquidus), puis on sort le creuset à l'air pour assurer une solidification rapide,

ne présente sur coupe micorgraphique que des amas de composés intermétalliques primaires dont la longueur cumulée est inférieure à 35 µm et/ou des particules de composés intermétalliques primaires isolées dont la plus grande dimension est inférieure à 35 µm.
EP80420064A 1979-06-01 1980-05-28 Procédé de fabrication de corps creux en alliage d'aluminium et produits ainsi obtenus Expired EP0020282B1 (fr)

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