EP0292411B1 - Alliage d'aluminium pour tôles minces adaptées a l'obtention de couvercles et de corps de boîtes et procédé de fabrication desdites tôles - Google Patents
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- EP0292411B1 EP0292411B1 EP88420161A EP88420161A EP0292411B1 EP 0292411 B1 EP0292411 B1 EP 0292411B1 EP 88420161 A EP88420161 A EP 88420161A EP 88420161 A EP88420161 A EP 88420161A EP 0292411 B1 EP0292411 B1 EP 0292411B1
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- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
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- C22F1/05—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions
Definitions
- the present invention relates to an aluminum alloy for thin sheets suitable for obtaining lids and bodies of boxes intended to contain food or carbonated drinks and to a process for manufacturing said sheets.
- Aluminum alloys are now widely used for the manufacture of boxes intended to contain both solid and liquid food as well as carbonated drinks.
- boxes are made up of two parts: a body with an integrated bottom, the side wall of which can be printed or not, on which is attached a cover provided with an easy opening system, in particular in the case of boxes for carbonated drinks.
- the covers are generally obtained by cutting a thin sheet of thickness between 200 and 400 ⁇ m and the bodies of neighboring thickness are either by stamping, or by stamping followed by re-drawing.
- the sheet should have characteristics adapted to each of these peculiarities.
- the covers with easy opening must have a mechanical resistance higher than that of the other covers so as not to tear during their use;
- the printed or re-stretched bodies must have a relatively low rate of horns to avoid any deformation either of the preprinted characters or of the upper part of the body which receives the cover; bodies subjected to re-stretching should not seize on contact with the tools to avoid the appearance of scratches or even breaks.
- lids and bodies have very different compositions, in particular as regards their magnesium and manganese content. This requires different production lines to develop them and thus strike their cost price. But to these drawbacks is added the problem of recycling boxes after use: in fact, given the growing share taken by aluminum alloys on the box market, we realized the significant savings which would result if we recovered said boxes instead of putting them in the landfill.
- the sheets obtained have the mechanical characteristics with respect to sheet metal for a body 0.2% elastic limit of 250 to 310 MPa, a tensile strength of 260 to 320 MPa and an elongation at break of 1 to 8%; for cover sheets, the values of these characteristics are 310-370 MPa, 320-380 MPa and 1 to 5% respectively.
- the applicant has aimed to increase these characteristics, in particular in the case of sheets for covers. It achieved this by moving towards an alloy more charged with silicon and characterized in that it contains by weight percent: 0.8 ⁇ manganese ⁇ 1.8, 1 ⁇ silicon ⁇ 2, 0.7 ⁇ magnesium ⁇ 3, iron ⁇ 0.7, copper ⁇ 0.5, chromium ⁇ 0.5, aluminum balance and usual impurities.
- the higher silicon content promotes in combination with magnesium the formation of Mg2Si which plays the role of hardening agent.
- the process consists in developing a melt of given composition and in pouring it into strips for example in a cylinder machine which, thanks to the high cooling rates, makes it possible to keep in solid solution a lot of Mg, Si and Mn, this which then makes it easier to dissolve.
- the strip has a thickness of between 6 and 12 mm.
- the strip is heated to between 500 and 620 ° C for 2 to 20 hours so as to homogenize the metal.
- a solution treatment is carried out at a temperature between 500 and 600 ° C. for 0.5 to 10 minutes followed by air quenching allowing characteristics to be obtained superior to those of conventional alloys.
- this dissolution is carried out between 530 and 580 ° C for 1 to 2 minutes.
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Description
- La présente invention est relative à un alliage d'aluminium pour tôles minces adaptées à l'obtention de couvercles et de corps de boîtes destinés à renfermer des aliments ou des boissons gazeuses et à un procédé de fabrication desdites tôles.
- Les alliages d'aluminium sont maintenant largement utilisés pour la fabrication de boîtes destinées à renfermer aussi bien des aliments solides ou liquides que des boissons gazeuses.
- Ces boîtes sont composées de deux parties: un corps avec un fond intégré dont la paroi latérale peut être imprimée ou non sur lequel est rapporté un couvercle muni d'un système d'ouverture facile notamment dans le cas des boîtes pour boissons gazeuses.
- Les couvercles sont généralement obtenus par découpage d'une tôle mince d'épaisseur comprise entre 200 et 400 µm et les corps d'épaisseur voisine le sont soit par emboutissage, soit par emboutissage suivi d'un réétirage.
- On conçoit que, suivant le contenu de la boîte, son utilisation pour un corps ou un couvercle, le procédé de mise en forme utilisé, la présence ou non de système à ouverture facile ou d'impression, la tôle devra avoir des caractéristiques adaptées à chacune de ces particularités.
- Ainsi, les couvercles à ouverture facile devront présenter une résistance mécanique supérieure à celle des autres couvercles pour ne pas se déchirer lors de leur utilisation; les corps imprimés ou réétirés devront avoir un taux de cornes relativement faible pour éviter toute déformation soit des caractères préimprimés, soit de la partie haute du corps qui reçoit le couvercle; les corps soumis au réétirage ne devront pas gripper au contact de l'outillage pour éviter l'apparition de rayures ou même de casses.
- Face à autant d'impératifs, l'homme de l'art s'est orienté vers l'utilisation de tôles fabriquées à partir d'alliages de composition différente.
- Ainsi, dans le domaine des boîtes destinées aux aliments, on utilise généralement:
- ― pour les couvercles et les corps non imprimés des tôles d'épaisseur 230 µm en alliage 5052 à l'état H28 suivant les normes de l'Aluminium Association, c'est-à-dire ayant pour composition en poids pour-cent:
Si 0,25 ― Fe 0,40 ― Cu 0,10 ― Mn 0,10 ― Mg 2,2-2,8 ― Cr 0,15-0,35 ― Zn 0,10 ― autres 0,15 ― solde Al. - ― pour les corps de boîtes imprimées des tôles de même épaisseur, en même alliage mais à l'état H24.
- Dans le domaine des boîtes destinées aux boissons gazeuses, on utilise généralement:
- ― pour les corps de boîtes obtenues par emboutissage-réétirage des tôles d'épaisseur 330 µm en alliage 3004 à l'état H19 suivant les normes de l'Aluminium Association, c'est-à-dire ayant pour composition en poids pour-cent:
Si 0,30 ― Fe 0,7 ― Cu 0,25 ― Mn 1,0-1,5 ― Mg 0,8-1,3 ― Zn 0,25 ― autres 0,15 ― solde Al. - ― pour les couvercles de boîtes de tôles d'épaisseur 300 µm en alliage 5182 à l'état H19 suivant les normes de l'Aluminium Association c'est-à-dire ayant pour composition en poids pour-cent:
Si 0,20 ― Fe 0,35 ― Cu 0,15 ― Mn 0,20-0,50 ― Mg 4,0-5,0 ― Cr 0,10 ― Zn 0,25 ― autres 0,15 ― solde Al. - De cet inventaire, on déduit que, notamment dans le domaine des boîtes pour boissons gazeuses, couvercles et corps ont des compositions très différentes notamment en ce qui concerne leur teneur en magnésium et en manganèse. Cela nécessite des chaînes de fabrication différentes pour les élaborer et grève ainsi leur prix de revient. Mais à ces inconvénients se greffe le problème du recyclage des boîtes après usage: en effet, étant donnée la part croissante prise par les alliages d'aluminium sur le marché des boîtes, on s'est rendu compte de l'économie importante qui résulterait si on récupérait lesdites boîtes au lieu de les mettre à la décharge.
- Mais, comme les corps dont pratiquement inséparables des couvercles, un recylage économique entraîne la refusion de la boîte entière. D'où l'obtention d'un alliage de composition intermédiaire entre celui du corps et du couvercle qu'il faut donc partager en deux fractions, chacune d'elles étant ensuite remise au titre par ajout d'aluminium pur et d'éléments d'alliages.
- Il paraît donc plus avantageux du point de vue du recyclage d'avoir affaire à un seul type d'alliage. Mais, encore faut-il que cet alliage réponde à toutes les contraintes imposées aux tôles soit par leur destination : aliments ou boissons gazeuses, soit par leur forme: corps ou couvercles, soit par leur mode d'obtention: emboutissage ou emboutissage-réétirage ou encore par certaines de leurs particularités telles que les systèmes d'ouverture facile sur les couvercles ou l'aptitude à développer convenablement des caractères ou motifs préimprimés.
- C'est dans cette voie que s'est engagée la demanderesse. Cela lui a permis de trouver une composition d'alliage telle qu'elle conduise par coulée en bandes suivie d'un ensemble d'opérations de mise en forme et de traitements thermiques judicieusement choisis à l'obtention de tôles ayant des caractéristiques propres à satisfaire aux différentes contraintes auxquelles elles seront soumises.
- Certes, la demanderesse n'est pas la première à avoir résolu le problème de cette façon. On peut citer par exemple le brevet français n° 2432556 qui enseigne "un procédé pour la production d'une bande d'alliage d'aluminium appropriée pour la fabrication de corps et de couvercles de boîtes par emboutissage et réétirage, caractérisé en ce que:
- a) on prépare une masse fondue d'alliage d'aluminium qui, outre les impuretés habituelles, contient comme constituants principaux 0,4 à 1,0% de manganèse et 1,3 à 2,5% de magnésium, la teneur totale en magnésium et manganèse étant de 2,0 à 3,3% et le rapport du magnésium au manganèse étant 1,4: 1 à 4,4: 1.
- b) on coule en continu la masse fondue en une bande au moyen d'une machine à couler les bandes.
- c) on lamine en continu à chaud la bande coulée à la vitesse de coulée avec une réduction d'au moins 70%, la température de début de laminage à chaud étant comprise entre 300°C et la température de solidus de l'alliage et la température à la fin du laminage étant d'au moins 280°C.
- d) la bande laminée à chaud est enroulée à chaud et on la laisse refroidir à l'air calme jusqu'à la température ambiante environ et,
- e) la bande laminée à chaud refroidie est laminée à froid jusqu'à l'épaisseur finale".
- Dans ce brevet, qui recourt également à la coulée en bandes, on met en oeuvre un seul alliage et un seul procéeé de production pour les corps de boîtes et pour les couvercles, exception faite du laminage à froid puisqu'il faut une bande plus dure pour les couvercles.
- Dans ces conditions, les tôles obtenues ont pour caractéristiques mécaniques en ce qui concerne la tôle pour corps une limite élastique à 0,2% de 250 à 310 MPa, une résistance à la traction de 260 à 320 MPa et un allongement à la rupture de 1 à 8%; pour ce qui est des tôles pour couvercles, les valeurs de ces caractéristiques sont respectivement 310-370 MPa, 320-380 MPa et 1 à 5%.
- Dans la présente invention, la demanderesse a eu pour objectif d'augmenter ces caractéristiques notamment dans le cas des tôles pour couvercles. Elle y est parvenue en s'orientant vers un alliage plus chargé en silicium et caractérisé en ce qu'il contient en poids pour-cent: 0,8 ≦ manganèse ≦ 1,8, 1 < silicium ≦ 2, 0,7 ≦ magnésium ≦ 3, fer < 0,7, cuivre < 0,5, chrome < 0,5, solde aluminium et impuretés habituelles.
- La teneur plus élevée en silicium favorise en combinaison avec le magnésium la formation de Mg₂Si que joue le rôle d'agent durcissant.
- Par ailleurs, la présence d'une quantité de manganèse en moyenne plus grande que dans le brevet antérieur a pour effet de réduire fortement les phénomènes de grippage lors du réétirage des corps de boîtes.
- L'invention concerne également un procédé de fabrication desdites tôles. Ce procédé comporte un ensemble d'opérations relatives à l'élaboration, à la mise en forme et aux traitements thermiques et sont caractérisées en ce que:
- a) on prépare une masse fondue d'alliage qui, outre les impuretés habituelles, contient comme éléments principaux en poids pour-cent: 0,8 ≦ manganèse ≦ 1,8, 1 < silicium ≦ 2, 0,7 ≦ magnésium ≦ 3, fer < 0,7, cuivre < 0,5, chrome < 0,5
- b) on coule en continu ladite masse en bandes d'épaisseur comprise entre 4 et 20 mm
- c) on chauffe la bande coulée entre 500 et 620°C pendant 2 à 20 heures
- d) on lamine à froid la bande qui a été chauffée jusqu'à une épaisseur intermédiaire
- e) on chauffe la bande amincie entre 500 et 600°C pendant 0,5 à 10 minutes puis trempe à l'air
- f) on lamine à froid jusqu'à l'épaisseur finale de la tôle fabriquée.
- Ainsi, le procédé consiste à élaborer une masse fondue de composition donnée et à la couler en bandes par exemple dans une machine à cylindres qui, grâce aux vitesses élevées de refroidissement, permet de garder en solution solide beaucoup de Mg, Si et Mn, ce qui rend ensuite plus facile une mise en solution. De préférence, la bande a une épaisseur comprise entre 6 et 12 mm.
- Après coulée, la bande est chauffée entre 500 et 620°C pendant 2 à 20 heures de manière à homogénéiser le métal.
- Puis, après laminage à froid à une épaisseur intermédiaire, on procède à une mise en solution à une température comprise entre 500 et 600°C pendant 0,5 à 10 minutes suivie d'une trempe à l'air permettant d'obtenir des caractéristiques supérieures à celles des alliages conventionnels.
- De préférence, cette mise en solution est réalisée entre 530 et 580°C pendant 1 à 2 minutes.
- On lamine ensuite jusqu'à l'épaisseur finale et éventuellement réchauffe la tôle jusqu'à 200-220°C pendant 5 à 15 minutes de manière à cuire les vernis. On peut éventuellement effectuer un revenu de 30 min à 2 heures entre 100 et 250°C à une épaisseur intermédiaire entre l'épaisseur de mise en solution ― trempe et l'épaisseur finale.
- Ces opérations sont applicables à la fabrication de tôles adaptées à tous les types de couvercles et de corps de boîtes décrits ci-dessus.
- On peut noter qu'à la différence du brevet français 2 432 556, toutes les opérations de laminage ont lieu à froid et que la mise en solution s'effectue à une température comprise entre 500 et 600°C pendant 30 secondes à 10 minutes alors que dans le brevet, on lamine en partie à chaud et que la température de mise en solution est comprise entre 350 et 500°C pendant une durée maximum de 90 secondes.
- Suivant l'usage particulier qui sera fait des tôles, on peut moduler les conditions opératoires décrites ci-dessus et éventuellement introduire des opérations complémentaires pour optimiser le procédé.
- L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant:
- Pour fabriquer des couvercles de boîtes destinées à renfermer des boissons gazeuses:
- a) on a coulé en une bande de 7,5 mm d'épaisseur, l'alliage de composition suivante en poids pour-cent:
- Mg:
- 0,80
- Mn:
- 1,08
- Si:
- 1,25
- Fe:
- 0,40
- b) on a chauffé la bande coulée pendant 6 heures à 540°C
- c) on a laminé à froid la bande jusqu'à une épaisseur de 1,5 mm
- d) on a chauffé la bande amincie pendant 5 min à 560°C et trempé à l'air
- e) on a laminé à froid jusqu'à l'épaisseur finale de 0,33 mm.
- Dans ces conditions, les caractéristiques de la tôle obtenue ont été les suivantes:
- RO,2 =
- 395 MPa
- Rm =
- 410 MPa
- A% =
- 4.
- Par comparaison avec les valeurs données dans le brevet français n° 2432556 et citées plus haut, à savoir R 0,2 = 370 MPa et Rm = 380 MPa, on peut constater une grande amélioration.
Claims (6)
1. Alliage d'aluminium pour la fabrication de tôles minces adaptées à l'obtention de couvercles et de corps de boîtes, caractérisé en ce qu'il contient en poids pour-cent:
2. Procédé de fabrication de tôles minces adaptées à l'obtention de couvercles et de corps de boîtes destinés à renfermer des aliments ou des boissons gazeuses comportant des opérations d'élaboration, de mise en forme et de traitement thermique, caractérisé en ce que:
a) on prépare une masse fondue d'alliage qui, outre les impuretés habituelles, contient comme éléments principaux en poids pour-cent: 0,8 ≦ manganèse ≦ 1,8, 1 < silicium ≦ 2, 0,7 ≦ magnésium ≦ 3, fer < 0,7, cuivre < 0,5 chrome < 0,5
b) on coule en continu ladite masse en bandes d'épaisseur comprise entre 4 et 20 mm
c) on chauffe la bande coulée entre 500 et 620°C pendant 2 à 20 heures
d) on lamine à froid la bande qui a été chauffée jusqu'à une épaisseur intermédiaire
e) on chauffe la bande amincie entre 500 et 600°C pendant 0,5 à 10 minutes puis trempe à l'air
f) on lamine à froid jusqu'à l'épaisseur finale de la tôle fabriquée.
3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on coule en bandes d'épaisseur comprise entre 6 et 12 mm.
4. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on chauffe la bande amincie entre 530 et 580°C pendant 1 à 2 minutes.
5. Procédé selon revendication 2, caractérisé en ce que lors du laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale, on introduit entre deux passes un revenu de 30 min à 2 heures entre 100 et 250°C.
6. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la tôle finale est chauffée 5 à 15 minutes entre 200 et 220°C.
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