EP0769564B1 - Constructions soudées à caractéristiques mécaniques améliorées en alliage AlMg - Google Patents

Constructions soudées à caractéristiques mécaniques améliorées en alliage AlMg Download PDF

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EP0769564B1
EP0769564B1 EP96420311A EP96420311A EP0769564B1 EP 0769564 B1 EP0769564 B1 EP 0769564B1 EP 96420311 A EP96420311 A EP 96420311A EP 96420311 A EP96420311 A EP 96420311A EP 0769564 B1 EP0769564 B1 EP 0769564B1
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EP
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welded structure
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sheet
welded
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Jean-Luc Hoffmann
Guy-Michel Raynaud
Martin-Peter Schmidt
Hervé Ribes
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Constellium Issoire SAS
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Pechiney Rhenalu SAS
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    • 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
    • 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
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the technical field of alloy sheets aluminum of the AlMg type and more particularly an alloy 5083 or 5086 according to standard EN 573-3, intended for welded constructions such as fixed tanks or mobile and in particular road transport tanks or railways of solid or liquid materials.
  • the aim of the present invention is therefore to improve this trade-off between elongation and breaking strength while ensuring satisfactory corrosion resistance and manufacturing range as simple and reliable as possible.
  • Japanese patent application JP 06-212373 shows examples of AlMgMn alloy sheets presenting a good compromise between elongation and strength but manufacturing by hot rolling requires minimum exit temperature of the rolling mill at 450 ° C., which requires a rate of fast manufacturing and minimal lubrication and does not allow therefore not a reliable and economical manufacture of bands.
  • Japanese patent application JP 06-93365 also shows AlMgMn alloy sheets with mechanical characteristics meeting the intended objective, but their manufacture intervene a complicated and expensive range, comprising a hot rolling followed by intermediate annealing, warm rolling and final annealing.
  • the invention relates to a fusion-welded sheet construction of AlMg alloy with thickness> 2mm, as defined in the claims 1 and 12, as well as its use according to claims 10, 11, 21 and 22.
  • the zinc content is preferably between 0.07 and 0.2%.
  • the iron content is between 0.20 and 0.45% and more than half the manganese content.
  • the sheets according to the invention are produced by semi-continuous casting, preferably without final annealing and by hot rolling with a temperature of outlet of the rolling mill between 300 and 370 ° C, and preferably between 320 and 360 ° C.
  • Magnesium provides good resistance mechanical, but too high a content decreases the resistance to corrosion, which would limit the use of tanks made with such alloys.
  • Manganese improves tensile strength, but a too high content leads to a decrease in elongation.
  • an addition of chromium provided that it does not exceed 0.15%, makes it possible to increase both the elongation A and the resistance to corrosion, and an addition of copper of less than 0.25% leads to an increase in R m .
  • the iron content must be below 0.45% in order to avoid the formation of primary phases, the presence of which results in an unacceptable deterioration of the mechanical characteristics of the sheet.
  • the applicant has surprisingly demonstrated that it is advantageous to choose an iron content close to 0.45%, because during casting, almost all of the iron forms eutectic precipitates of the AlMnFe type. It is noted, which is contrary to what is usually observed, that a large fraction of these eutectic precipitates improves the ductility of the sheet and that it is desirable that this fraction is at least 0.7%.
  • the fraction of manganese dispersoids in the final sheet must remain low, and below 1.5 times the fraction of eutectics, which is expressed by the relationship Fe> 0.5Mn.
  • the volume fractions of eutectic precipitates and dispersoids are measured by the surface fractions calculated on micrographs by well known metallographic techniques, for example by scanning electron microscopy and image analysis on a polished section of a sheet sample. This possibility of choosing an iron content which is not too low makes it possible to choose a less pure and therefore less expensive base metal, while having good mechanical characteristics.
  • the composition according to the invention it is possible to obtain sheets of thickness> 2 mm having a breaking strength R m > 275 MPa, an elongation A> 17.5% and a product A x R m > 6500, by rolling without final annealing at a temperature> 250 ° C, and, more particularly, by hot rolling and in large width, for example> 2200 mm.
  • the temperature at the outlet of the hot rolling mill is less than 400 ° C., and preferably at 370 ° C. or even at 350 ° C.
  • the sheets according to the invention can be used for welded constructions, such as fixed tanks or mobile, for example rail or road tanks, but also road and rail transport containers and / or maritime, as well as welded and / or forged wheels for automobile or truck.
  • These sheets can be welded by all the means usually used for this type of alloy, in particular by butt welding using a MIG process or TIG and with a chamfer of the order of 45 ° on approximately the 2/3 of the thickness. It is beneficial for all of these applications, to be able to have very wide sheets, in particular of width greater than 2200 mm.
  • Alloys 0 to 4 and 13 have a composition outside the invention (alloy 0 representing a composition of 5083), the others alloys a composition according to the invention.
  • MIG welding tests carried out by MIG butt welding with a 45 ° chamfer on 2/3 of the thickness have shown a weldability similar to that of sheets of alloys 5083 and 5086 of usual composition.

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Description

Domaine technique
L'invention concerne le domaine techique des tôles en alliage d'aluminium du type AlMg et plus particulièrement en alliage 5083 ou 5086 selon la norme EN 573-3, destinées à des constructions soudées telles que des réservoirs fixes ou mobiles et notamment des citernes de transport routier ou ferroviaire de matières solides ou liquides.
Problème posé
Pour augmenter la résistance mécanique des constructions soudées tout en diminuant leur poids, il est intéressant de disposer d'alliages offrant par rapport aux alliages 5083 ou 5086 actuellement utilisés, des caractéristiques mécaniques améliorées sans rien perdre sur les autres propriétés d'emploi telles que la soudabilité, la résistance à la corrosion ou la formabilité.
Les deux caractéristiques mécaniques qui, selon les principes de construction mécanique connues de l'homme de métier, doivent être optimisées pour assurer un comportement plastique convenable des structures en alliage d'aluminium, sont l'allongement à la rupture A et la résistance à la rupture Rm. Pour les alliages AlMg, ces deux caractéristiques ont des tendances d'évolution contraires lorsqu'on modifie la composition de l'alliage et un compromis doit être trouvé pour chaque type d'application. C'est pourquoi, pour calculer le comportement des structures sous une déformation plastique rapide, par exemple en cas d'avarie, on utilise généralement pour ces alliages le produit A x Rm, dès lors que A et Rm présentent chacun des valeurs minimales convenables.
Le but de la présente invention est donc d'améliorer ce compromis entre l'allongement et la résistance à la rupture tout en assurant une tenue à la corrosion satisfaisante et une gamme de fabrication aussi simple et fiable que possible.
Art antérieur
La demande de brevet japonais JP 06-212373 montre des exemples de tôles en alliage AlMgMn présentant un bon compromis entre l'allongement et la résistance, mais la fabrication par laminage à chaud requiert une température minimale de sortie du laminoir de 450°C, ce qui oblige à une cadence de fabrication rapide et une lubrification minimale et ne permet donc pas une fabrication fiable et économique de bandes. La demande de brevet japonais JP 06-93365 montre également des tôles en alliage AlMgMn ayant des caractéristiques mécaniques répondant à l'objectif visé, mais leur fabrication fait intervenir une gamme compliquée et coûteuse, comportant un laminage à chaud suivi d'un recuit intermédiaire, d'un laminage à tiède et d'un recuit final.
Objet de l'invention
L'invention concerne une construction soudée par fusion en tôle d'alliage AlMg d'épaisseur > 2mm, telle que définie dans les revendications 1 et 12, ainsi que son utilisation selon les revendications 10, 11, 21 et 22.
La demanderesse a mis en évidence un domaine de composition étroit à l'intérieur des fourchettes de composition des alliages 5083 et 5086 permettant de répondre aux objectifs visés pour les caractéristiques mécaniques et d'utiliser une gamme de fabrication fiable et économique. Les tôles pour constructions soudées selon l'invention sont réalisées en alliage AlMg de composition suivante (% en poids):
  • Mg: 4,2 - 4,8 Mn: 0,20-0,40 < Zn: < 0,4
  • Fe < 0,20-0,45 Si < 0,30 et éventuellement
  • Cr: < 0,15 Cu < 0,25 Ti < 0,20 Zr < 0,20
    • autres éléments < 0,05 chacun et 0,20 au total, balance Al, avec les relations Mn + Zn < 0,7 (de préférence < 0,6), et Fe > 0,5 Mn et présentent une résistance à la rupture Rm > 275 MPa, un allongement A > 17,5% et un produit Rm x A > 6500 (Rm exprimé en MPa et A en %).
    La teneur en zinc est comprise de préférence entre 0,07 et 0,2%. La teneur en fer est comprise entre 0,20 et 0,45% et supérieure à la moitié de la teneur en manganèse.
    Les tôles selon l'invention sont fabriquées par coulée semi-continue, de préférence sans recuit final et par laminage à chaud avec une température de sortie du laminoir comprise entre 300 et 370°C, et de préférence entre 320 et 360°C.
    Une composition particulièrement avantageuse de l'alliage selon l'invention, conduisant à des tôles présentant une résistance à la rupture Rm > 275 MPa, un allongement A > 22% et un produit A x Rm > 7000, est la suivante:
  • Mg: 4,2 - 4,7 Mn: 0,20 - 0,40 Zn: 0,07 - 0,20
  • Fe: 0,20 - 0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15
  • Ti < 0,10 Zr < 0,10 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, balance Al.
    • Description de l'invention
    Le rôle du magnésium et du manganèse comme éléments d'addition est bien connu. Le magnésium assure une bonne résistance mécanique, mais une teneur trop élevée diminue la résistance à la corrosion, ce qui limiterait l'utilisation des réservoirs fabriqués avec de tels alliages.
    Le manganèse améliore à la résistance à la traction, mais une teneur trop élevée conduit à une diminution de l'allongement.
    Il est connu également que le zinc, en présence de manganèse, améliore la résistance à la rupture, mais la demanderesse a trouvé, de manière surprenante, que, pour les teneurs choisies en magnésium et manganèse, le produit A x Rm dépendait de la somme Mn + Zn plutôt que des teneurs individuelles en Mn et
    Zn, et que ce produit était nettement amélioré lorsque la somme Mn + Zn était inférieure à 0,7, et, de préférence, à 0,6%.
    Dans le domaine de composition retenu pour Mg, Mn et Zn, une addition de chrome, à condition qu'elle ne dépasse pas 0,15%, permet d'augmenter à la fois l'allongement A et la résistance à la corrosion, et une addition de cuivre inférieure à 0,25% conduit à une augmentation de Rm.
    La teneur en fer doit se situer en dessous de 0,45% afin d'éviter la formation de phases primaires dont la présence entraíne une détérioration inacceptable des caractéristiques mécaniques de la tôle. Toutefois, dans le domaine de composition retenu pour les éléments Mg, Mn et Zn, la demanderesse a mis en évidence de manière surprenante qu'il est avantageux de choisir une teneur en fer proche de 0,45%, car lors de la coulée, la quasi-totalité du fer forme des précipités eutectiques de type AlMnFe. On constate, ce qui est contraire à ce qu'on observe habituellement, qu'une forte fraction de ces précipités eutectiques améliore la ductilité de la tôle et qu'il est souhaitable que cette fraction soit d'au moins 0,7%. En même temps, toujours pour avoir une ductilité élevée, la fraction de dispersoïdes au manganèse dans la tôle finale doit rester faible, et au-dessous de 1,5 fois la fraction d'eutectiques, ce qui s'exprime par la relation Fe > 0,5Mn. Les fractions volumiques de précipités eutectiques et de dispersoïdes sont mesurées par les fractions surfaciques calculées sur des micrographies par des techniques métallographiques bien connues, par exemple par microscopie électronique à balayage et analyse d'images sur une coupe polie d'un échantillon de tôle.
    Cette possibilité de choisir une teneur en fer pas trop basse permet de choisir un métal de base moins pur et donc moins cher, tout en ayant de bonnes caractéristiques mécaniques.
    Avec la composition selon l'invention, il est possible d'obtenir des tôles d'épaisseur > 2 mm présentant une résistance à la rupture Rm > 275 MPa, un allongement A > 17,5% et un produit A x Rm > 6500, par laminage sans recuit final à une température > 250°C, et, plus particulièrement, par laminage à chaud et en grande largeur, par exemple > 2200 mm. Pour des raisons de fiabilité industrielle, il est préférable que la température en sortie du laminoir à chaud soit inférieure à 400°C, et, de préférence, à 370°C, voire à 350°C.
    Les tôles selon l'invention peuvent être utilisées pour des constructions soudées, telles que des réservoirs fixes ou mobiles, par exemple des citernes ferroviaires ou routières, mais aussi des conteneurs de transport routier, ferroviaire et/ou maritime, ainsi que des roues soudées et/ou forgées pour automobile ou camion. Ces tôles peuvent être soudées par tous les moyens habituellement utilisés pour ce type d'alliage, en particulier par soudage bout à bout à l'aide d'un procédé MIG ou TIG et avec un chanfrein de l'ordre de 45° sur environ les 2/3 de l'épaisseur. Il est avantageux, pour toutes ces applications, de pouvoir disposer de tôles de grande largeur, en particulier de largeur supérieure à 2200 mm.
    L'intérêt de disposer de tôles à caractéristiques mécaniques améliorées est particulièrement grand dans le cas de citernes routières destinées au transport de matières dangereuses, qui doivent présenter un comportement plastique convenable en cas d'accident.
    Exemples
    On a élaboré 24 alliages ayant les compositions indiquées au tableau 1, par coulée semi-continue de plaques. Après un réchauffage pendant 20 h à une température supérieure à 500°C, celles-ci ont été laminées à chaud jusqu'à une épaisseur finale de 6 mm. La température de sortie du laminoir était de 340°C.
    Les alliages 0 à 4 et 13 ont une composition hors invention (l'alliage 0 représentant une composition de 5083), les autres alliages une composition selon l'invention.
    On a mesuré sur ces tôles la résistance à la rupture Rm et l'allongement A. Sur des micrographies réalisées par microscopie optique, on a mesuré également les fractions surfaciques de précipités eutectiques et de dispersoïdes. Ces résultats sont rassemblés au tableau 1 et montrent que, pour les compositions selon l'invention, on a toujours Rm > 275 MPa, A > 17,5% et leur produit > 6500.
    On constate de plus qu'avec la composition plus étroite mentionnée plus haut, à savoir:
  • Mg: 4,2 - 4,7 Mn: 0,20 - 0,40 Zn: 0,07 - 0,20
  • Fe: 0,20 - 0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15
  • Ti < 0,10 Zr < 0,10
    • on obtient des tôles présentant un produit A x Rm toujours supérieur à 7000 et, le plus souvent, supérieur à 7400 (cf. références 14, 18 à 23).
    Des essais de soudage MIG réalisés par soudage bout à bout MIG avec un chanfrein de 45° sur les 2/3 de l'épaisseur ont montré une soudabilité semblable à celle des tôles en alliages 5083 et 5086 de composition habituelle.
    Figure 00070001

    Claims (22)

    1. Construction soudée par fusion en tôle d'alliage AlMg d'épaisseur > 2 mm, élaborée par coulée semi-continue, appropriée à la fabrication de citernes ou de conteneurs de transport, présentant une résistance à la rupture Rm > 275 MPa, un allongement A > 17,5% et un produit A x Rm > 6500, de composition (% en poids):
      Mg: 4,2 - 4,8 Mn: 0,20-0,40 Zn: < 0,4
      0,20 < Fe < 0,45 Si < 0,30 et éventuellement:
      Cr < 0,15 Cu < 0,25 Ti < 0,20 Zr < 0,20
      autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, balance Al, avec les relations: Mn + Zn < 0,7 et Fe > 0,5Mn, avec une microstructure telle que la fraction volumique des dispersoïdes au maganèse est inférieure à 1,5 fois la fraction volumique des précipités eutectiques.
    2. Construction soudée selon la revendication 1 dans laquelle l'alliage a une composition telle que Mn + Zn < 0,6.
    3. Construction soudée selon l'une des revendications 1 et 2 dans laquelle l'alliage a une composition telle que Zn: 0,07 - 0,2
    4. Construction soudée selon la revendication 3 présentant une résistance à la rupture Rm > 275 MPa, un allongement > 22% et un produit A x Rm > 7000, de composition (% en poids):
      Mg: 4,2 - 4,7 Mn: 0,20 - 0,40 Zn: 0,07 - 0,20
      Fe: 0,20 - 0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15
      Ti < 0,10 Zr < 0,10 autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, balance Al.
    5. Construction soudée selon l'une des revendications 1 à 4 pour laquelle la fraction volumique des précipités eutectiques est supérieure à 0,7%
    6. Construction soudée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la tôle est fabriquée sans recuit final.
    7. Construction soudée selon la revendication 6,
      caractérisée en ce que la tôle est fabriquée par laminage à chaud avec une température de sortie du laminoir comprise entre 300 et 370°C.
    8. Construction soudée selon la revendication 7,
      caractérisée en ce que la température de sortie du laminoir à chaud est comprise entre 320°C et 360°C.
    9. Construction soudée selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que la largeur de la tôle est supérieure à 2200 mm.
    10. Utilisation d'une construction soudée selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour la fabrication de citernes routières ou ferroviaires.
    11. Utilisation d'une construction soudée selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour la fabrication de conteneurs de transport routier, ferroviaire et/ou maritime.
    12. Construction soudée par fusion en tôle d'alliage AlMg d'épaisseur > 2 mm, élaborée par coulée semi-continue, appropriée à la fabrication de citernes ou de conteneurs de transport, présentant une résistance à la rupture Rm > 275 MPa, un allongement A > 17,5% et un produit A x Rm > 6500, de composition (% en poids):
      Mg: 4,2 - 4,8 Mn: < 0,20-0,40 Zn: < 0,4
      0,20 < Fe < 0,45 Si < 0,30 et éventuellement:
      Cr < 0,15 Cu < 0,25 Ti < 0,20 Zr < 0,20
      autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, balance Al, avec les relations: Mn + Zn < 0,7 et Fe > 0,5Mn, avec une microstructure telle que la fraction volumique des précipités eutectiques est supérieure à 0,7%.
    13. Construction soudée selon la revendication 12 dans laquelle l'alliage a une composition telle que Mn + Zn < 0,6.
    14. Construction soudée selon l'une des revendications 12 et 13 dans laquelle l'alliage a une composition telle que Zn: 0,07 - 0,2
    15. Construction soudée selon la revendication 14 présentant une résistance à la rupture Rm > 275 MPa, un allongement > 22% et un produit A x Rm > 7000, de composition (% en poids):
      Mg: 4,2 - 4,7 Mn: 0,20 - 0,40 Zn: 0,07 - 0,20
      Fe: 0,20 - 0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15
      Ti < 0,10 Zr < 0,10 autres éléments < 0,05 chacun et 0,15 au total, balance Al.
    16. Construction soudée selon l'une des revendications 12 à 15 pour laquelle la fraction volumique des dispersoides au maganèse est inférieure à 1,5 fois la fraction volumique des précipités eutectiques.
    17. Construction soudée selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisée en ce que la tôle est fabriquée sans recuit final.
    18. Construction soudée selon la revendication 17,
      caractérisée en ce que la tôle est fabriquée par laminage à chaud avec une température de sortie du laminoir comprise entre 300 et 370°C.
    19. Construction soudée selon la revendication 18,
      caractérisée en ce que la température de sortie du laminoir à chaud est comprise entre 320°C et 360°C.
    20. Construction soudée selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisée en ce que la largeur de la tôle est supérieure à 2200 mm.
    21. Utilisation d'une construction soudée selon l'une quelconque des revendications 12 à 20 pour la fabrication de citernes routières ou ferroviaires.
    22. Utilisation d'une construction soudée selon l'une quelconque des revendications 12 à 20 pour la fabrication de conteneurs de transport routier, ferroviaire et/ou maritime.
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