EP0504077B1 - Alliages d'al pour emboutissage-étirage résistants, formables et isotropes - Google Patents

Alliages d'al pour emboutissage-étirage résistants, formables et isotropes Download PDF

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EP0504077B1 EP92420073A EP92420073A EP0504077B1 EP 0504077 B1 EP0504077 B1 EP 0504077B1 EP 92420073 A EP92420073 A EP 92420073A EP 92420073 A EP92420073 A EP 92420073A EP 0504077 B1 EP0504077 B1 EP 0504077B1
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Guy-Michel Raynaud
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Constellium Issoire SAS
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Pechiney Rhenalu SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—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
    • C22F1/047—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 with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to sheets or strips laminated from Al-based alloy intended for stamping and / or drawing and having high strength mechanical characteristics as well as good isotropy (low rate of horns) and good cold formability.
  • alloys usually used for the manufacture of drawn box bodies are alloys 3004 or 3104, according to the designations of the Aluminum Association.
  • Patent EP 0121 620 describes an Al Mg Mn alloy intended for the manufacture of bodies, lids and rings for cans of beverage curable by cooking the varnish ("bake hardening" effect), of composition (% by weight): Mg: 0.5 - 2.5 Mn 0.5 - 2 Cu 0.05 0.5 Fe ⁇ 0.7 If ⁇ 0.5 Ti ⁇ 0.05 the microstructure of which, after cold rolling, has an average grain size of less than 25 microns.
  • Al-based alloys according to the invention which exhibit both high mechanical characteristics, good isotropy and good formability belong to two distinct families, one derived from the conventional 3004 alloys which are the subject of the present invention, Another subject of divisional application no. 95105950.0, essentially containing additions of Fe and Mg.
  • the alloys of the present invention are distinguished from the prior art by a “classic” Mn content associated with a low iron content. In addition, a relatively high Cu content is preferred.
  • the sheets or strips according to the invention have the following weight compositions (%): Mn 0.8 to 1.6 Mg 0.7 to 2.5 eventually Cu 0 to 0.6 Cr 0 to 0.35 Ti from 0 to 0.1 V from 0 to 0.1 Remains Al and unavoidable impurities: Each ⁇ 0.05% Total ⁇ 0.15% and their Fe and Si contents are each controlled to less than 0.25%. A Cu content greater than or equal to 0.20% or even 0.25% is preferable. Likewise, it is preferable to have an Fe content ⁇ 0.20, or better still less than 0.15%.
  • the contents of Mn, Fe and Mg must be limited, in order to avoid the rough precipitation of primary compounds, precipitates which are harmful and cause defects during the subsequent rolling and / or stamping-stretching; in this case, the relationship to be observed is as follows: % Mn + 0.9% Fe + 0.3% Mg ⁇ 1.9
  • % Mn + 0.9% Fe + 0.3% Mg ⁇ 1.9 to obtain cold deformation rates, defined by: (initial thickness - final thickness) / initial thickness, greater than 50%, or even 60 or 65%, without intermediate annealing (s), while retaining a high isotropy, the following relationship should be observed: % Mn-2.25% Fe ⁇ 0.50
  • the analytical limitations are justified as follows: For Fe ⁇ 0.25 and / or Si ⁇ 0.25, there appears in the micrographic structure of "white bands" after homogenization or reheating and hot rolling, zones in which the Mn content is low, thus promoting the anisotropy of the material.
  • Mn and Mg are limited below to obtain sufficient mechanical strength; however, beyond 1.6% Mn, there is the appearance of primary intermetallic particles which are harmful with regard to formability during rolling or stamping and / or drawing operations, and for Mg ⁇ 2 , 5%, there is an appearance of stretching defects, for example bonding on the die (also called ring) and too great anisotropy.
  • Cu is kept below 0.6% to meet food standards (decree of August 27, 1987), but is preferably held above 0.20% or even 0.25% to obtain the high characteristics mechanical properties required when firing the coverings. Above 0.35% Cr, there is the appearance of coarse primary intermetallic compounds harmful to formability by damaging effect. The upper limits in Ti and V are justified for this same reason.
  • a preferred composition contains from 1.2 to 1.6% Mn, from 0.8 to 1.2% Mg, from 0.2 to 0.6% Cu, and up to 0.25% Cr.
  • the invention also relates to the process for obtaining a laminated strip, defined in claim 8.
  • the classic 3004 alloy is characterized by the existence of a structure comprising, in addition to the coarse primary intermetallic precipitates situated in the interdendritic zones and the intragranular secondary precipitates, fine "white bands", free of precipitates, in the interdendritic zones.
  • the alloys according to the invention have similar microstructures, but in the total absence of "white bands”.
  • the alloys according to the invention are therefore characterized by a very homogeneous distribution of the primary and secondary precipitates in an Al-based matrix from the ingot stage.
  • FIGS. 1, 2 and 3 are micrographs at magnification X400 respectively of the conventional alloy 3004 (example 0) and of the alloys of examples 1 (or 3) and 2, according to the invention, in the raw state of rolling to hot.
  • Figure 4 is a schematic profile of the distribution of precipitates (volume fraction in%) as a function of the distance (in ⁇ m) counted from an interdendritic zone on a cross section of a dendrite having about 95 ⁇ m wide for a conventional 3004 alloy (thick line) and an alloy according to the invention (thin line).
  • the material obtained is characterized by its mechanical tensile characteristics (transverse direction), by the index of horns S 45/90 as defined below, and the values of LDR and LIR spreading defined below.
  • the LDR (limiting drawing ratio) is the value of the ratio: ⁇ maxi blank / ⁇ punch without appearance of rupture under specific stamping conditions: lubrication, pressure of blank holder, geometry of the punch (rounded), sheet thickness (blank), etc.
  • the alloys were cast in trays of 1100 x 300 x 2650 mm3, homogenized or reheated, scalped, hot rolled up to 3mm thick and cold up to 0.3 mm thick, with or without intermediate annealing under the conditions detailed in Table 2 (H lx state).
  • a simulation of the firing of the varnishes was carried out by maintaining for 10 minutes at 204 ° C. (state H 28).
  • the invention finds a main application in the manufacture of stretched cans, particularly of drink cans, lighter and / or more resistant with an increased saving of material, with a manufacturing range entirely similar to that of conventional alloys (3004 -3104), with a simplification of the manufacturing range by avoiding intermediate annealing.

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Description

  • L'invention concerne des tôles ou bandes laminées en alliage à base d'Al destinées à l'emboutissage et/ou l' étirage et présentant des caractéristiques mécaniques de résistance élevées ainsi qu'une bonne isotropie (faible taux de cornes) et une bonne formabilité à froid.
  • On sait que les alliages habituellement utillisés pour la fabrication de corps de boites étirées sont les alliages 3004 ou 3104, suivant les désignations de l'Aluminum Association.
  • Or, l'évolution actuelle pousse à rechercher des alliages à la fois plus résistants mécaniquement, ce qui permet corrélativement de diminuer les épaisseurs de paroi pour une application donnée, et plus isotropes c'est-à-dire à faible taux de cornes lors de l'emboutissage et/ou de l'étirage afin d'améliorer le taux d'utilisation de l'alliage, tout en restant suffisamment formables à froid. Or, pour les alliages classiques cités ci-dessus, la première et les 2 dernières propriétés sont relativement contradictoires.
  • Ainsi dans le brevet US-A-4 318 755 des alliages de ce type sont revendiqués mais leurs caractéristiques mécaniques à l'état écroui restent relativement modestes R: 280-300 Mpa, E 0,2 : 250-280 Mpa et A% : 2-4% pour garantir une formabilité en emboutissage-étirage acceptable, tout en conservant une bonne isotropie.
    Le brevet EP 0121 620 décrit un alliage Al Mg Mn destiné à la fabrication de corps, de couvercles et d'anneaux pour boîtes de boisson durcissable par cuisson du vernis (effet de « bake hardening »), de composition (% en poids) :
    Mg : 0,5 - 2,5
    Mn 0,5 - 2
    Cu 0,05 0,5
    Fe < 0,7
    Si < 0,5
    Ti < 0,05
    dont la microstructure présente, après laminage à froid, une grosseur moyenne de grains inférieure à 25 microns.
    Les alliages à base d'Al selon l'invention, qui présentent à la fois des caractéristiques mécaniques élevées, une bonne isotropie et une bonne formabilité appartiennent à deux familles distinctes, l'une dérivée des alliages 3004 classiques objet de la présente invention, l'autre objet de la demande divisionnaire n° 95105950.0, contenant essentiellement des additions de Fe et de Mg.
  • Les alliages de la présente invention se distinguent de l'art antérieur par une teneur en Mn « classique » associée à une basse teneur en fer. De plus, une teneur en Cu relativement élevée est préférée.
  • De manière plus précise, les tôles ou bandes selon l'invention ont les compositions pondérales suivantes (%) :
    Mn de 0,8 à 1,6
    Mg de 0,7 à 2,5
    éventuellement
    Cu de 0 à 0,6
    Cr de 0 à 0,35
    Ti de 0 à 0,1
    V de 0 à 0,1
    Reste Al et impuretés inévitables :
    Chacune ≤ 0,05%
    Total ≤ 0,15%
    et leurs teneurs en Fe et Si sont contrôlées chacune à moins de 0,25%. Une teneur en Cu supérieure ou égale à 0,20% ou même 0,25% est préférable. De même, il est préférable d'avoir une teneur en Fe ≤ 0,20, ou mieux inférieure à 0,15%.
  • De plus, il a été observé que, de préférence, les teneurs en Mn, Fe et Mg doivent être limitées, pour éviter la précipitation grossière de composés primaires, précipités qui sont néfastes et provoquent des défauts lors des opérations ultérieures de laminage et/ou emboutissage-étirage ; dans ce cas, la relation à observer est la suivante : %Mn+0,9%Fe+0,3%Mg≤1,9
    Figure imgb0001
     De même, pour obtenir des taux de déformation à froid, définis par : (épaisseur initiale - épaisseur finale) /épaisseur initiale, supérieurs à 50%, ou même 60 ou 65%, sans recuit(s) intermédiaire(s), tout en conservant une isotropie élevée, il convient de respecter la relation suivante : %Mn-2,25%Fe≥0,50
    Figure imgb0002
     Les limitations analytiques se justifient de la façon suivante : Pour Fe ≥ 0,25 et/ou Si ≥ 0,25, il y a apparition dans la structure micrographique de « bandes blanches » après homogénéisation ou réchauffage et laminage à chaud, zones dans lesquelles la teneur en Mn est faible favorisant ainsi l'anisotropie du matériau. Les teneurs en Mn et Mg sont limitées inférieurement pour obtenir une résistance mécanique suffisante ; cependant au-delà de 1,6 % Mn, il y a apparition de particules intermétalliques primaires néfastes vis-à-vis de la formabilité au cours du laminage ou des opérations d'emboutissage et/ou d'étirage, et pour Mg ≥ 2,5 %, il y a apparition de défauts à l'étirage, par exemple le collage sur la filière (aussi appelée bague) et une trop grande anisotropie.
  • Le Cu est maintenu en dessous de 0,6 % pour respecter les normes d'alimentarité (arrêté du 27 août 1987), mais est, de préférence, tenu supérieur à 0,20% ou même 0,25% pour obtenir les hautes caractéristiques mécaniques souhaitées lors de la cuisson des revêtements.
    Au-dessus de 0,35 % de Cr, il y a apparition de composés intermétalliques primaires grossiers néfastes à la formabilité par effet d'endommagement. Les limites supérieures en Ti et V sont justifiées par cette même raison.
  • Une composition préférentielle contient de 1,2 à 1,6 % Mn, de 0,8 à 1,2 % Mg, de 0,2 à 0,6 % Cu, et jusqu'à 0,25 % Cr.
  • La mise en oeuvre des alliages selon l'invention est tout à fait analogue à celle des alliages 3004 et 3104, comme cela apparaîtra de façon détaillée dans les exemples.
  • La gamme de fabrication comporte donc essentiellement les opérations suivantes:
    • coulée, généralement par coulée semi-continue en lingots ou coulée directe en bandes
    • homogénéisation ou réchauffage
    • laminage à chaud jusqu'à une épaisseur intermédiaire
    • laminage à froid avec ou sans recuits intermédiaires ce qui fournit des ébauches adaptées aux opérations d'emboutissage et d'étirage.
  • L'invention concerne également le procédé d'obtention d'une bande laminée, défini à la revendication 8.
  • Il est à noter que les produits conservent une bonne isotropie même si les taux de déformation à froid dépassent 50%, ou même 60 ou 65% sans recuit(s) intermédiaire(s).
  • Les différences essentielles entre les alliages 3004 classiques et les alliages selon l'invention résident dans des teneurs en Fe et/ou Si limitées, qui conduisent à des structures micrographiques sur produits laminés à chaud (en général des tôles ou bandes d'épaisseur supérieure à 3 mm) complètement différentes.
  • L'alliage 3004 classique est caractérisé par l'existence d'une structure comportant, outre les précipités intermétalliques primaires grossiers situés dans les zones interdendritiques et les précipités secondaires intragranulaires de fines "bandes blanches", exemptes de précipités, dans les zones interdendritiques. Au contraire, les alliages selon l'invention présentent des microstructures analogues, mais en l'absence totale de "bandes blanches".
  • Les alliages selon l'invention sont donc caractérisés par une répartition très homogène des précipités primaires et secondaires dans une matrice à base d'Al dès le stade du lingot.
  • Les figures 1, 2 et 3 sont des micrographies au grandissement X400 respectivement de l'alliage classique 3004 (exemple 0) et des alliages des exemples 1 (ou 3) et 2, selon l'invention, à l'état brut de laminage à chaud.
  • La figure 4 est un profil schématique de la répartition des précipités (fraction volumique en %) en fonction de la distance(en µm) comptée à partir d'une zone interdendritique sur une coupe transversale d'une dendrite ayant environ 95 µm de large pour un alliage 3004 classique (trait épais) et un alliage selon l'invention (trait mince).
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples suivants, comparés à un alliage 3004 pris comme référence.
    Dans ces exemples, le matériau obtenu est caractérisé par ses caractéristiques mécaniques de traction (sens travers), par l'indice de cornes S 45/90 tel que défini ci-après, et les valeurs de LDR et LIR étalement définis ci-après.
    Le taux de cornes : S α/β = H ¯ α - H ¯ β H ¯
    Figure imgb0003
     où Hα = (H + H180- α + H180+α + H360- α)/4
    H étant la hauteur de l'embouti cylindrique dans une direction faisant un angle α avec la direction de laminage et
    H ¯
    Figure imgb0004
     la hauteur moyenne de l'embouti cylindrique définie par
    Figure imgb0005
     n étant le nombre d'extréma = 2 x nombre de cornes - voir norme NFA 50-301, juin 1976 -
  • Le LDR (limiting drawing ratio) est la valeur du rapport : φ maxi flan/ φ poinçon sans apparition de rupture dans des conditions d'emboutissage déterminées : lubrification, pression de serre-flan, géométrie du poinçon (arrondi), épaisseur de la tôle (flan), etc.
    Le LIR (limiting ironing ratio) en % est la valeur nominale du rapport LIR = 100 ( eo - ef)/eo
    Figure imgb0006
     permettant l'étirage sur poinçon d'un cylindre sans apparition de défauts dans des conditions déterminées de géométrie d'outillage (filière/ poinçon), de lubrification, d'épaisseur initiale, de nombre de passes, (généralement 3), etc...., eo étant l'épaisseur initiale de la paroi et ef étant l'épaisseur finale.
  • Les exemples suivants (1 à 3) illustrent l'invention vis-à-vis de l'alliage 3004 pris comme référence (exemple 0).
  • Les alliages dont la composition chimique est reportée au tableau I ont été coulés en plateaux de 1100 x 300 x 2650 mm3, homogénéisés ou réchauffés, scalpés, laminés à chaud jusqu'à 3mm d'épaisseur et à froid jusqu'à 0,3 mm d'épaisseur, avec ou sans recuit intermédiaire dans les conditions détaillées au tableau 2 (état H lx).
    Une simulation de la cuisson des vernis a été effectuée par maintien de 10 minutes à 204°C (état H 28).
  • Les résultats obtenus sont reportés au tableau 3.
  • On peut constater :
    • que l'exemple 1 présente des caractéristiques mécaniques élevées et une faible anisotropie avec une formabilité comparable à celle du 3004.
    • que l'exemple 2 présente des caractéristiques mécaniques très élevées associées à une bonne formabilité, l'isotropie étant notablement plus forte que celle du 3004
    • que l'exemple 3 présente une isotropie particulièrement élevée, les caractéristiques de résistance mécanique et de formabilité étant équivalentes à celle de 3004
  • L'invention trouve une application principale dans la fabrication de boîtes étirées, particulièrement de boites-boissons, plus légères et/ou plus résistantes avec une économie de matière accrue, avec une gamme de fabrication tout à fait analogue à celle des alliages classiques (3004-3104), avec une simplification de la gamme de fabrication en évitant les recuits intermédiaires.
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009

Claims (10)

  1. Tôle ou bande laminée en alliage à base d'Al destinée à l'emboutissage et/ou l'étirage, caractérisée en ce que l'alliage contient (en poids %) :
    Mn de 0,8 à 1,6 - Mg de 0,7 à 2,5 - éventuellement Cu de 0 à 0,6 - Cr de 0 à 0,35 - Ti de 0 à 0,1 - V de 0 à 0,1 autres éléments: chacun ≤ 0,05, total ≤ 0,15 reste Al, que les teneurs en Fe et Si sont contrôlées chacune à moins de 0,25%, et qu'à l'état homogénéisé ou à l'état laminé à chaud, sa structure est constituée d'une matrice à base d'Al contenant des précipités primaires et secondaires régulièrement répartis, en l'absence de « bandes blanches ».
  2. Tôle ou bande selon la revendication 1 caractérisée en ce que sa composition est telle que : % Mn - 2,25% Fe ≥ 0,50.
  3. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la teneur enFe est contrôlée à moins de 0,20%.
  4. Tôle ou bande selon la revendication 3 caractérisée en ce que la teneur en Fe est contrôlée à moins de 0,15%.
  5. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la teneur en Cu est supérieure à 0,25%.
  6. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que sa composition est telle que : %Mn + 0,9 Fe + 0,3 % Mg ≤ 1,9.
  7. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle contient de 1,2 à 1,6 % Mn, de 0,8 à 1,2 % Mg et jusqu'à 0,25% Cr.
  8. Procédé d'obtention d'une bande laminée en alliage d'Al destinée à l'emboutissage et/ou à l'étirage, comprenant la coulée d'un alliage contenant (en poids %) :
    Mn de 0,8 à 1,6 - Mg de 0,7 à 2,5 - éventuellement Cu de 0 à 0,6 - Cr de 0 à 0,35 - Ti de 0 à 0,1 - V de 0 à 0,1 - autres éléments = chacun ≤ 0;05 - total ≤ 0,15, reste Al
    dans lequel Fe et Si sont contrôlés à moins de 0,25%, avec % Mn - 2,25% Fe ≥ 0,50, une homogénéisation ou un réchauffage, un laminage à chaud, un laminage à froid, sans recuit(s) intermédiaire(s), le taux de déformation à froid étant supérieur à 50%.
  9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel l'alliage coulé contient de 1,2 à 1,6% Mn, de 0,8 à 1,2 % Mg et jusqu'à 0,25% Cr.
  10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le taux de déformation à froid est > à 65%.
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