EP1045043B1 - Procédé de fabrication de pièces de forme en alliage d' aluminium type 2024 - Google Patents

Procédé de fabrication de pièces de forme en alliage d' aluminium type 2024 Download PDF

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EP1045043B1
EP1045043B1 EP00420071A EP00420071A EP1045043B1 EP 1045043 B1 EP1045043 B1 EP 1045043B1 EP 00420071 A EP00420071 A EP 00420071A EP 00420071 A EP00420071 A EP 00420071A EP 1045043 B1 EP1045043 B1 EP 1045043B1
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EP
European Patent Office
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process according
temperature
content
less
quenching
Prior art date
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EP00420071A
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German (de)
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EP1045043A1 (fr
Inventor
Hervé Ribes
Guy-Michel Raynaud
Ronan Dif
Martin Peter Schmidt
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Constellium Issoire SAS
Original Assignee
Pechiney Rhenalu SAS
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Publication date
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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
    • C22F1/057—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 copper 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
    • C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
    • C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium

Definitions

  • the invention relates to a method of manufacturing highly deformed parts, intended for mechanical engineering and in particular for aeronautical construction, using AlCuMg type 2024 aluminum alloy sheets according to the nomenclature of the Aluminum Association.
  • Alloy 2024 is widely used in aircraft construction and its composition registered in the Aluminum Association is as follows (% by weight): If ⁇ 0.5 Fe ⁇ 0.5 Cu: 3.8 - 4.9 Mn: 0.3 - 0.9 Mg: 1.2 - 1.8 Zn ⁇ 0.25 Cr ⁇ 0.10 Ti ⁇ 0 15 Certain parts, made in particular by stretch-forming (the term “stretch-forming" is often used), stamping, spinning, bending or rolling, require, in addition to the properties usually required for aircraft construction, such as high strength. mechanics, toughness, resistance to the propagation of cracks etc, sheets having a good formability.
  • EP 0473122 discloses a method for manufacturing alloy steel sheets.
  • Patent Application EP 0731185 discloses sheets of modified alloy 2024, later registered with the Aluminum Association under the designation 2024A, having a reduced level of residual stresses and improved toughness for heavy plates, and improved elongation for thin sheets. This application limits the content of Mn to 0.55% and that in Fe to 0.25%, with the relation: 0 ⁇ Mn - 2 Fe ⁇ 0.2 (the contents Mn and Fe being expressed in%).
  • the patent application WO 96/29440 describes a method of manufacturing a product in type 2024 aluminum alloy, having a hot rolling, an annealing, a cold rolling, dissolving, quenching and cold forming minimum, which may be traction, straightening or leveling, a process intended improve formability.
  • the request recommends a preferential composition of the alloy: Cu: 4.0 - 4.4, Mg: 1.25 - 1.5, Mn: 0.35 - 0.5, Si ⁇ 0.12, Fe ⁇ 0.08, Ti ⁇ 0.06.
  • Intermediate annealing between hot rolling and cold rolling is presented as favorable for strength and toughness.
  • This step the additional and unusual process has disadvantages economic. Nor does it solve the problem posed by the market, namely provide plates with characteristics such that their shaping is simplified.
  • the sheets are in a state characterized by good formability, but this state is unstable (state "W"), and the shaping must occur on fresh quenching, c that is to say within a short time after quenching, of the order of a few tens of minutes to a few hours. If this is not possible for reasons of production management, the sheet must be stored in a cold room at a sufficiently low temperature and for a sufficiently short duration so as to avoid natural ripening.
  • this solution heat treatment requires large furnaces, which makes the operation inconvenient, including with respect to the same operation performed on flat sheet.
  • the possible need for a cold room adds to the costs and disadvantages of the state of the art. For highly deformed parts, this operation must possibly be repeated, if the material does not have, in the metallurgical state in which it is, sufficient formability to achieve the desired shape in a single operation.
  • the only possible formatting is a rolling.
  • the rolled sheet is then dissolved and quenched, and a second shaping is done either on fresh quenching or after storage in a cold room. In all other cases, the sheet is directly dissolved and quenched before shaping.
  • a first shaping operation is carried out from this state, and a second shaping after dissolution and quenching.
  • This variant is used when the shaping referred to is too important to be carried out in a single operation from a state W, but can however be performed in two passes from the state O. In this state, the The sheet is certainly less formable, but the state O is easier to use than the state W, which is unstable, and requires additional heat treatment.
  • the manufacture of the sheet in state O involves a final annealing of the raw sheet rolling, and therefore an additional manufacturing step, which is contrary to the purpose of simplification targeted by the present invention.
  • a sheet in the W state which generally has the best formability
  • the object of the invention is therefore to simplify the process for manufacturing formed parts, and in particular parts that are highly deformed by one or more processes such as stretch-forming, stamping, spinning or bending, by the combination of an optimized chemical composition and particular manufacturing processes, to avoid as much as possible the setting in solution on formed sheet metal. It goes without saying that any new manufacturing process of highly deformed parts must lead to parts having mechanical characteristics and use at least as good as existing products. Another object of the invention is to obtain parts whose properties of damage tolerance do not degrade after deformation.
  • the alloy has a copper content of between 3.9 and 4.3% (and even more preferably between 3.9 and 4.2%), a magnesium content of between 1.2 and 1.4% (and still preferably between 1.25 and 1.35%), a manganese content between 0.3 and 0.45% iron content ⁇ 0.10%, silicon content ⁇ 0.10% (and preferably ⁇ 0.08%), titanium, chromium and zirconium content ⁇ 0.07% (preferably ⁇ 0.05%).
  • the method according to the invention makes it possible to optionally use plated sheets, for example examples of sheets covered with an alloy plating more resistant to corrosion, as is usually the case for aircraft fuselage liner plates.
  • a first feature of the invention is to use a modified alloy compared to the traditional 2024.
  • the first modification consists in reducing the Si and Fe contents respectively below 0.25 and 0.20%, and preferably below 0.10%.
  • the Mn content is also reduced below 0.5% and preferably below 0.45%.
  • the Cu content is also slightly reduced and maintained below 4.5%, and preferably below 4.3%, or even 4.2%.
  • the Mg content is also slightly reduced, and kept below 1.5%, preferably between 1.2 and 1.4%, or even between 1.25 and 1.35%. The applicant has observed that this composition, suggested by the prior art, does not by itself to achieve the required formability.
  • the alloy is cast into plates, which are homogenized at a temperature between 460 and 510 ° C (preferably between 470 and 500 ° C) for 2 to 12 hours (preferably 3 to 6 hours).
  • the plates may be scalped.
  • the hot rolling is carried out with an inlet temperature of between 430 and 470 ° C, and preferably between 440 and 460 ° C.
  • the outlet temperature of the strips is at a temperature higher than the usual temperature,> 300 ° C., and preferably> 310 ° C.
  • the strips are wound. They present at this stage an elongation of more than 13.5%, and most often greater than 15% in the L and TL directions.
  • the strips are then cut into sheets.
  • a first variant of the invention consists in shaping, by stretch-forming, stamping, spinning or bending, directly on this state F without annealing or other prior treatment.
  • the partially shaped sheet is then dissolved at a temperature between 480 and 500 ° C for a period of between 5 minutes and 1 hour, then quenched, usually with cold water.
  • the formatting is done in two or more passes.
  • the freshly hardened part (less than one hour) can undergo a new shaping immediately, or it is transferred to a cold room at a temperature below 10 ° C and preferably below 0 ° C, and shaped to the exit of the cold room.
  • One or two sided plates can be used, which is the most common case for aircraft fuselage panels plated with a 1000 series alloy, for example 1050, 1100, 1200, 1135 alloys. , 1145, 1170, 1175, 1180, 1185, 1188, 1199, 1230, 1235, 1250, 1285, 1350 or 1435.
  • the distributed elongation is the difference in elongation between the beginning and the end of the plastic deformation domain, that is to say the deformation domain permanent before necking, of the deformation curve.
  • a cold rolled strip has an LDH value greater than 42 mm and preferably higher at 44 mm, while a hot-rolled strip has an LDH value greater than 73 and preferably greater than 75 mm.
  • the preferred composition gives a better formability than the traditional composition.
  • the mechanical properties of the intermediate product do not matter in this situation, provided that the finished product at the end of the whole process has at least one mechanical characteristics. as high as the product resulting from the process according to the prior art.
  • the two products In the state T42, as defined by the draft standard prEN 4211 of July 1995, for a thickness of 6 mm and with an identical manufacturing range, the two products have equivalent mechanical properties.
  • Examples 3s, 3t, 3u, 3v, 3w correspond to the prior art.
  • Examples 3a, 3c, 3d correspond to Examples 2h, 2L and 2m of Example 2; they are shown here for comparison to represent a 2024 W state according to the prior art.
  • T3-optimized composition plates are compared to the plates used in the processes according to the prior art, that is to say a 2024 alloy in the T3 state (Examples 3s, 3t, 3u, 3v, 3w) or W (Examples 3a, 3b, 3c, 3d)), it can be seen that for a given thickness, the process leads to a better formability, as evidenced by the elongation at break and especially the LDH values. and CLF.
  • the springback is lower than in the prior art. More particularly, when the chemical composition is in the preferred range, the process leads to an improvement of the formability as it is characterized by the parameters which have just been enumerated.
  • the process does not lead, after forming by stretching, to a significant decrease in the properties of damage tolerance, unlike the method according to the prior art. It is even noted that the method improves the damage tolerance on a stretched state, ie the state in which the piece is in the finished state.

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Description

Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un procédé de fabrication de pièces fortement déformées, destinées à la construction mécanique et notamment à la construction aéronautique, mettant en oeuvre des tôles en alliage d'aluminium AlCuMg du type 2024 selon la nomenclature de l'Aluminum Association.
Etat de la technique
L'alliage 2024 est largement utilisé dans la construction aéronautique et sa composition enregistrée à l'Aluminum Association est la suivante (% en poids):
Si < 0,5   Fe < 0,5   Cu: 3,8 - 4,9   Mn: 0,3 - 0,9   Mg: 1,2 - 1,8 Zn < 0,25   Cr < 0,10   Ti < 0,15
Certaines pièces, réalisées notamment par étirage-formage (on utilise souvent le terme anglais " stretch-forming "), emboutissage, fluotournage, pliage ou roulage, nécessitent, en plus des propriétés habituellement requises pour la construction aéronautique, telles qu'une grande résistance mécanique, ténacité, résistance à la propagation de criques etc, des tôles présentant une bonne formabilité.
Le brevet EP 0473122 décrit un procédé de fabrication de tôles en alliage de composition (% en poids): Cu: 4 - 4,5   Mg: 1,2 - 1,5   Mn: 0,4 - 0,6 Fe < 0,12   Si < 0,05, comportant un recuit intermédiaire à une température > 488°C. Il enseigne que ces tôles présentent une ténacité et une résistance à la propagation de fissures améliorées par rapport au 2024 conventionnel.
La demande de brevet EP 0731185 décrit des tôles en alliage 2024 modifié, enregistré ultérieurement à l'Aluminum Association sous la désignation 2024A, présentant un niveau réduit de contraintes résiduelles et une ténacité améliorée pour les tôles fortes, et un allongement amélioré pour les tôles minces. Cette demande limite la teneur en Mn à 0,55% et celle en Fe à 0,25%, avec la relation: 0 < Mn - 2 Fe < 0,2 (les teneurs Mn et Fe étant exprimées en %).
La demande de brevet WO 96/29440 décrit un procédé de fabrication d'un produit en alliage d'aluminium de type 2024, comportant un laminage à chaud, un recuit, un laminage à froid, une mise en solution, une trempe et une déformation à froid minimale, qui peut être une traction, un redressage ou un planage, procédé destiné à améliorer la formabilité. Ayant constaté que l'utilisation d'une base pure (très faible teneur en fer et silicium) et d'une teneur en manganèse inférieure à 0,5 % améliore la formabilité, la demande préconise une composition préférentielle de l'alliage: Cu : 4,0 - 4,4 , Mg : 1,25 - 1,5 , Mn : 0,35 - 0,5 , Si < 0,12 , Fe < 0,08 , Ti < 0,06. Le recuit intermédiaire entre laminage à chaud et laminage à froid est présenté comme favorable à la résistance mécanique et à la ténacité. Cette étape supplémentaire et inhabituelle du procédé comporte cependant des inconvénients économiques. Elle ne résout pas non plus le problème posé par le marché, à savoir de fournir des tôles ayant des caractéristiques telles que leur mise en forme soit simplifiée.
Problème posé
Pour diminuer le coût de fabrication, les constructeurs aéronautiques cherchent à minimiser le nombre des étapes de formage des tôles, et à utiliser des tôles pouvant être fabriquées de manière peu onéreuse à l'aide de gammes de transformation courtes, c'est-à-dire comprenant aussi peu d'étapes individuelles que possible. Pour les panneaux de fuselage, la pratique actuelle des constructeurs aéronautiques consiste à approvisionner des tôles laminées à chaud ou à froid selon l'épaisseur requise, à l'état brut de fabrication (état " F " selon la norme EN 515) ou à l'état recuit (état " O ") ou à l'état trempé mûri (état " T3 " ou " T4 "), à les soumettre à un traitement thermique de mise en solution suivi d'une trempe, puis à les mettre en forme et à les soumettre à un vieillissement naturel ou artificiel, de manière à obtenir les caractéristiques mécaniques requises.
D'une manière générale, après mise en solution et trempe, les tôles se trouvent dans un état caractérisé par une bonne formabilité, mais cet état est instable (état " W "), et la mise en forme doit intervenir sur trempe fraíche, c'est-à-dire à l'intérieur d'un bref délai après la trempe, de l'ordre de quelques dizaines de minutes à quelques heures. Si cela n'est pas possible pour des raisons de gestion de la production, la tôle doit être stockée dans une chambre froide à une température suffisamment basse et pour une durée suffisamment courte de façon à éviter la maturation naturelle. Pour des pièces volumineuses et fortement formées, ce traitement thermique de mise en solution nécessite des fours de grande dimension, ce qui rend l'opération incommode, y compris par rapport à la même opération effectuée sur tôle plane. Le besoin éventuel d'une chambre froide rajoute aux coûts et inconvénients de l'état de la technique. Pour des pièces fortement déformées, cette opération doit éventuellement être répétée, si le matériau ne présente pas, à l'état métallurgique dans lequel il se trouve, une formabilité suffisante permettant d'atteindre la forme voulue en une seule opération.
En partant de l'état F, la seule mise en forme possible est un roulage. La tôle roulée est alors mise en solution et trempée, et on procède à une deuxième mise en forme soit sur trempe fraíche, soit après stockage dans une chambre froide. Dans tous les autres cas, la tôle est directement mise en solution et trempée avant mise en forme. Lorsqu'on part d'une tôle à l'état O, on effectue une première opération de mise en forme à partir de cet état, et une deuxième mise en forme après mise en solution et trempe. Cette variante est utilisée lorsque la mise en forme visée est trop importante pour pouvoir être effectuée en une seule opération à partir d'un état W, mais peut cependant être effectuée en deux passes à partir de l'état O. A cet état, la tôle est certes moins formable, mais l'état O est plus facile à utiliser que l'état W, qui est instable, et nécessite un traitement thermique supplémentaire. Toutefois, la fabrication de la tôle à l'état O fait intervenir un recuit final de la tôle brute de laminage, et donc une étape de fabrication supplémentaire, ce qui est contraire au but de simplification visé par la présente invention.
Dans certains cas, même en partant d'une tôle à l'état W, qui présente généralement la meilleure formabilité, on ne peut éviter de recourir à une deuxième étape de mise en forme après mise en solution et trempe; ceci constitue la troisième variante du procédé qui correspond à l'art antérieur.
Cette façon de travailler les tôles en alliage 2024 par mise en forme profonde et, le cas échéant, sur trempe fraíche, tend à se développer de plus en plus dans la mesure où on s'oriente vers des pièces individuelles de taille plus importante pour réduire le nombre d'assemblages, ce qui répond à des objectifs à la fois techniques (les assemblages sont des sites d'initiation de corrosion et de criques de fatigue) et économiques (l'opération d'assemblage représente une part importante du coût de fabrication d'un avion). Par ailleurs, l'utilisation de pièces de grande taille permet de réduire le poids de l'avion.
Dans tous les cas, au cours de la dernière transformation, les propriétés de tolérance aux dommages se dégradent sous l'effet de l'écrouissage associé à cette déformation.
Le but de l'invention est donc de simplifier le procédé de fabrication de pièces formées, et notamment de pièces fortement déformées par un ou plusieurs procédés tels que l'étirage-formage, l'emboutissage, le fluotournage ou le pliage, par l'association d'une composition chimique optimisée et de procédés de fabrication particuliers, permettant d'éviter autant que possible la mise en solution sur tôle formée.
Il va de soi que tout nouveau procédé de fabrication de pièces fortement déformées doit aboutir à des pièces ayant des caractéristiques mécaniques et d'emploi au moins aussi bonnes que les produits existants.
Un autre but de l'invention est d'obtenir des pièces dont les propriétés de tolérance aux dommages ne se dégradent pas après déformation.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de fabrication de pièces fortement déformées en alliage AlCuMg de type 2024 comportant les étapes suivantes:
  • a) coulée d'une plaque de composition (% en poids): Cu: 3,8- 4,5   Mg: 1,2 - 1,5 Mn: 0,3 - 0,5   Si < 0,10   Fe < 0,20   Zn < 0,20   Cr < 0,05 Zr < 0,03   Ti < 0,05, reste Al et impuretés
  • b) homogénéisation de cette plaque à une température comprise entre 460 et 510°C, et de préférence entre 470 et 500°C pour une durée de 3 à 6 h,
  • c) laminage à chaud avec une température d'entrée comprise entre 430 et 470°C, et de préférence entre 440 et 460°C, et avec une température de sortie supérieure à 300°C, pour obtenir une bande,
  • d) découpe de la bande en tôles,
  • e) mise en forme par étirage-formage, emboutissage, fluotournage et/ou pliage,
  • f) mise en solution entre 480 et 500°C, d'une durée comprise entre 5 mn et 1 h,
  • g) trempe.
    • De préférence l'alliage a une teneur en cuivre comprise entre 3,9 et 4,3% (et encore de préférence entre 3,9 et 4,2%), une teneur en magnésium entre 1,2 et 1,4% (et encore de préférence entre 1,25 et 1,35%), une teneur en manganèse entre 0,3 et 0,45% une teneur en fer < 0,10%, une teneur en silicium < 0,10% (et de préférence < 0,08%), une teneur en titane, chrome et zirconium < 0,07% (de préférence < 0,05%). Le procédé selon l'invention permet d'utiliser éventuellement des tôles plaquées, par exemple des tôles recouvertes d'un placage en alliage plus résistant à la corrosion, comme c'est le cas habituellement pour les tôles de revêtement de fuselage d'avion.
    Description de l'invention
    Une première caractéristique de l'invention consiste à utiliser un alliage modifié par rapport au 2024 traditionnel. La première modification consiste à réduire les teneurs en Si et Fe respectivement en dessous de 0,25 et 0,20%, et de préférence en dessous de 0,10%. D'autre part, la teneur en Mn est également réduite en dessous de 0,5% et de préférence en dessous de 0,45%. Enfin, la teneur en Cu est également légèrement réduite et maintenue en dessous de 4,5%, et de préférence en dessous de 4,3%, voire de 4,2%. La teneur en Mg est aussi un peu réduite, et maintenue au dessous de 1,5%, de préférence entre 1,2 et 1,4%, voire entre 1,25 et 1,35%.
    La demanderesse a observé que cette composition, suggérée par l'art antérieur, ne permet pas à elle seule d'atteindre la formabilité requise.
    L'alliage est coulé en plaques, qui sont homogénéisées à une température comprise entre 460 et 510°C (de préférence entre 470 et 500°C) pendant 2 à 12 h (de préférence 3 à 6 h). On procède éventuellement à un scalpage des plaques. Le laminage à chaud se fait avec une température d'entrée comprise entre 430 et 470°C, et de préférence entre 440 et 460°C. La température de sortie des bandes se fait à une température plus élevée que la température habituelle, > 300°C, et préférentiellement > 310°C.
    A la sortie du laminage à chaud les bandes sont bobinées. Elles présentent à ce stade un allongement de plus de 13,5%, et le plus souvent supérieur à 15% dans les sens L et TL. Les bandes sont ensuite découpées en tôles.
    Une première variante de l'invention consiste à effectuer la mise en forme, par étirage-formage, emboutissage, fluotournage ou pliage, directement sur cet état F sans recuit ni autre traitement préalable. La tôle partiellement mise en forme est ensuite mise en solution à une température comprise entre 480 et 500°C pendant une durée comprise entre 5 mn et 1 h, puis trempée, généralement à l'eau froide.
    La mise en forme se fait en deux ou plusieurs passes. La pièce fraíchement trempée (moins d'une heure) peut subir immédiatement une nouvelle mise en forme, ou bien elle est transférée dans une chambre froide à une température inférieure à 10 °C et préférentiellement inférieure à 0 °C, et mise en forme à la sortie de la chambre froide. On peut utiliser des tôles plaquées sur une ou deux faces, ce qui est le cas le plus fréquent pour les panneaux de fuselage d'avion, plaquées d'un alliage de la série 1000, par exemple les alliages 1050, 1100, 1200, 1135, 1145, 1170, 1175, 1180, 1185, 1188, 1199, 1230, 1235, 1250, 1285, 1350 ou 1435.
    Une deuxième variante consiste à poursuivre la mise en forme sur des tôles ayant subi une mise en solution et une trempe. La mise en forme peut se faire à l'état T3 ou T4 (trempé et mûri avec ou sans écrouissage ultérieur) ou, pour les pièces plus déformées, sur l'état W, c'est-à-dire moins d'une heure après la trempe, ou sur une tôle stockée dans une chambre froide immédiatement après trempe.
    Dans le cas où on utilise des tôles à l'état T3 ou T4, ces tôles présentent un compromis entre leur résistance mécanique et leur formabilité correspondant à au moins un des ensembles de propriétés suivants:
  • a) - une valeur moyenne des trois valeurs de l'allongement A mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieur à 20% et de préférence supérieur à 22%, et
    • une valeur moyenne des trois valeurs Rp0,2 mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieure à 305 MPa, et
    • une valeur LDH supérieure à 72 mm pour une épaisseur de 1,6 mm, ou une valeur LDH supérieure à 76 mm pour une épaisseur de 3,2 mm, ou une valeur LDH supérieure à 80 mm pour une épaisseur comprise entre 4 et 7 mm.
  • b) - une valeur moyenne des trois valeurs Rp0,2 mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieure à 305 MPa, et
    • une valeur moyenne des trois valeurs Ag mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieure à 18%.
  • c) - une valeur moyenne des trois valeurs de l'allongement A mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieure à 22%, et
    • une valeur moyenne des trois valeurs Rp0,2 mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieure à 305 MPa, et
    • une valeur moyenne des trois valeurs Ag % mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieure à 18%.
  • d) - une valeur moyenne des trois valeurs Rp0,2 mesurées dans les sens TL, L et à 45° supérieure à 305 MPa, et
    • une valeur moyenne des trois valeurs de traction plane Atp mesurées dans les sens TL, L et à 45°, supérieure à 18 %,
    • une valeur LDH supérieure à 72 mm pour une épaisseur de 1,6 mm, ou une valeur LDH supérieure à 76 mm pour une épaisseur de 3,2 mm, ou une valeur LDH supérieure à 80 mm pour une épaisseur comprise entre 4 et 7 mm.
    • Ces tôles à l'état T3 ou T4 présentent une formabilité caractérisée par l'une au moins des trois propriétés suivantes:
  • (a) la valeur LDH est supérieure à 40 mm pour une épaisseur inférieure à 4 mm, ou supérieure à 74 mm pour une épaisseur supérieure à 4 mm,
  • (b) la courbe limite de formage montre un coefficient ε1 > 0,18 pour L = 500 mm pour une épaisseur entre 1,4 mm et 2 mm,
  • (c) la courbe limite de formage montre un coefficient ε1 > 0,35 pour L = 500 mm pour une épaisseur entre 5,5 mm et 8 mm.
    • Elles présentent par ailleurs des propriétés améliorées de tolérance aux dommages caractérisées par l'une au moins des propriétés suivantes :
  • (a) Kc (L-T) > 120 MPa√m
  • (b) Kc0 (L-T) > 90 MPa√m
  • (c) Kc (T-L) > 125 MPa√m
  • (d) Kc0 (T-L) > 80 MPa√m
    • Les pièces réalisées avec des tôles aussi bien à l'état T3 ou T4 qu'à l'état W ne montrent que très peu de détérioration de la tolérance aux dommages après la dernière opération de mise en forme, si son amplitude est inférieure à 6%.
    Les différents paramètres utilisés ci-dessus, ainsi que dans les exemples qui suivent, pour caractériser la formabilité, terme générique indiquant la facilité relative d'un métal à se déformer, sont définis de la manière suivante:
    A partir d'un essai de traction uniaxiale selon la norme EN 10002-1, effectué pour une épaisseur de tôle supérieure ou égale à 3 mm avec une éprouvette proportionnelle ayant une longueur initiale entre repères Lo proportionnelle à l'aire de la section initiale So selon la relation Lo = 5,65√So, et pour une épaisseur de tôle inférieure à 3 mm avec une éprouvette non-proportionnelle de type 1 selon EN 10002-1, Tableau 4, on obtient les paramètres suivants:
    • Rp0,2 : limite conventionnelle d'élasticité à 0,2 % d'allongement permanent (en MPa);
    • Rm: résistance à la rupture (en MPa) ;
    • A: allongement après rupture (en %), représenté parfois par le symbole " A% ";
    • Ag: allongement non proportionnel sous charge maximale, appelé également allongement réparti (en %).
    Pour chaque tôle, trois prélèvements différents sont généralement effectués: dans le sens du laminage (sens L), dans le sens travers-long (TL), et à 45° entre les sens L et TL.
    Toutes les valeurs issues d'un essai de traction uniaxiale sont des valeurs moyennes obtenues à partir de deux éprouvettes prélevées au même endroit.
    L'allongement réparti est la différence d'allongement entre le début et la fin du domaine de déformation plastique, c'est-à-dire du domaine de déformation permanente avant striction, de la courbe de déformation.
    L'allongement à traction plane Atp correspond à l'allongement à la rupture dans un essai de traction dit de traction plane, dans lequel, contrairement à l'essai de traction uniaxiale, on s'arrange pour avoir une déformation à deux dimensions, donc dans un plan, et non à trois dimensions, c'est-à-dire que ε2 = 0 au lieu de ε2 = - ε1/2.
    Le paramètre LDH (limit dome height) est largement utilisé pour l'évaluation de l'emboutissabilité des tôles d'épaisseur 0,5 à 2 mm. Il a fait l'objet de nombreuses publications, notamment:
  • R. Thompson, "The LDH test to evaluate sheet metal formabiblity - Final report of the LDH committee of the North American Deep Drawing Research Group", SAE conference, Detroit, 1993, SAE paper no. 930815;
  • R. A. Ayres, W.G. Brazier and V.F. Sajewski, "Evaluating the GMR limiting dome height test as a new measure of press formability near plane strain", J. Appl. Metalworking, 1979, vol. 1, pp. 41-49 ;
  • J. M. Story, "Comparison of Correlations between Press performance and Dome tests results using two dome test procedures", J. Appl. Metalworking, 1984, vol. 3, pp. 292-300.
    • L'essai LDH est un essai d'emboutissage à flan bloqué en périphérie par un jonc. La pression de serre-flan assurant ce blocage est 240 MPa. Ce flan, de taille 500 x 500 mm, est sollicité en bi-expansion équiaxe. La lubrification entre le poinçon et la tôle est assurée par un film plastique et de la graisse. La valeur LDH est le déplacement du poinçon à rupture, soit la profondeur limite de l'emboutissage. On établit la moyenne entre trois essais.
    La même méthode peut être utilisée pour caractériser la formabilité des tôles de plus forte épaisseur (de 3 à 9 mm), mais il faut alors utiliser un outillage de plus grande taille (poinçon ø = 250 mm).
    Le retour élastique Re est déterminé par un essai de pliage sous tension qui permet de comparer le retour élastique de différentes nuances (tôles d'égale épaisseur) pour une déformation donnée.
    Une éprouvette plate de longueur L = 250 mm, largeur λ = 12 mm et épaisseur 0,1 mm < e < 5 mm est insérée entre deux mors de serrage autobloquants et maintenue sous traction grâce à un vérin hydraulique, solidaire du mécanisme d'essai. L'effort de traction, préalablement défini, est maintenu constant tout au long du pliage, grâce à la régulation hydraulique par servovalve du vérin de traction. La boucle de régulation intègre l'effort de tension par mesure avec un capteur piézo-électrique (rondelle Kistler). L'effort de tension dépend de l'alliage et de l'épaisseur de l'éprouvette.
    Un capteur de déplacement, relié à l'ordinateur d'acquisition, permet le contrôle en continu des paramètres de l'essai et calcule l'angle de pliage de l'éprouvette. Un poinçon de forme, solidaire du bâti supérieur de la machine de traction, sert d'appui à l'éprouvette. L'angle de pliage utilisé lors des essais était de 140°, pour un poinçon de rayon r = 70 mm. Chaque échantillon plié est contrôlé après démontage à l'aide d'un profilomètre à palpeur. Ce dispositif de mesure permet d'évaluer l'angle final ainsi que le rayon de courbure obtenu.
    La traction appliquée sur l'éprouvette, correspondant à la déformation plastique souhaitée, est déterminée à l'aide de la courbe rationnelle de traction en relevant graphiquement la contrainte équivalente au taux de déformation visé. Le taux de déformation initial, définissant l'effort de pliage, était maintenu constant lors de l'essai à 0,2 %.
    Le retour élastique est donné par la formule : Re = αf - αo 180 - α o avec
    αf =
    angle mesuré par le profilomètre (en °)
    αo =
    angle mesuré lors du pliage par le PC (en °)
    Re =
    retour élastique (vaut 0 pour un retour nul et 1 pour un retour total).
    Le calcul par mesure du rayon de courbure donne des valeurs moins dispersées et s'effectue de la manière ci-après : R'e = 1 - R 0 Rf avec
    Ro =
    rayon poinçon
    Rf =
    rayon mesuré au profilomètre
    Re =
    retour élastique (vaut 0 pour un retour nul et 1 pour un retour total).
    En pratique, afin de faciliter le déroulement et la fiabilisation des opérations de mise en forme, on recherche un retour élastique Re aussi faible que possible, et idéalement égal à zéro.
    Les courbes limites de formage sont déterminées selon la norme ISO 12004 (1987). Des formats rectangulaires de dimension 500 x L (L égal à 300 mm ou 500 mm), sont emboutis selon l'essai LDH après avoir été préalablement imprimés d'une grille (maille 2 x 2 mm2). L'essai avec L = 500 mm conduit après emboutissage à : ε1 ≅ ε2 (déformation bi-axiale); l'essai avec L = 300 mm conduit après emboutissage à ε2 ≅ 0 (déformation plane).
    Après rupture, les formats sont analysés à l'aide du système automatique CamSys au voisinage de la zone de fissuration. Le logiciel Asame-CamSys, permet d'établir une cartographie des déformations des zones mesurées comme décrit par J. H. Vogel and D. Lee, "The automated measurement of strains from three dimensional deformed surfaces", J. O. M., vol. 42, 1990, pp. 8-13. Les déformations limites avant striction localisée sont ainsi estimées et portées sur un diagramme de formage avec les coordonnées ε1 et ε2.
    La tolérance aux dommages est caractérisée selon la norme ASTM E561 (essai de courbe R). L'essai a été réalisé sur des éprouvettes à fissure centrale de largeur W = 400 mm pour une longueur de fissure 2a0 = 133 mm. On mesure à la fois le facteur critique d'intensité de contrainte en contrainte plane Kc et le facteur d'intensité de contrainte apparent Kc0 (désigné parfois également par le sigle Kapp).
    Exemples Exemple 1
    On a élaboré divers alliages dont les compositions sont indiquées dans le Tableau 1. Des plaques de laminage ont été coulées, scalpées, puis homogénéisées à une température comprise entre 460 °C et 510 °C pendant 2 h à 12 h. Après placage avec un alliage 1050, les plaques ont été laminées à chaud jusqu'à une épaisseur finale supérieure ou égale à 4 mm ; pour des épaisseurs inférieures, on a laminé les bandes à froid. Les tôles ont été caractérisées à l'épaisseur finale ; les résultats sont rassemblés dans le tableau 2.
    Les exemples 1k, 1L, 1m, 1n, 1p et 1q correspondent à la présente invention. Les exemples 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i et 1j correspondent à l'art antérieur.
    Exemple Cu
    (%)    		 Mg
    (%)    		 Mn
    (%)    		 Fe
    (%)    		 Si
    (%)    		 Selon
    1a 4,00 1,25 0,43 0,066 0,036
    1b 4,03 1,28 0,41 0,07 0,04
    1c 4,24 1,36 0,51 0,17 0,09 Art ant.
    1d 4,29 1,40 0,46 0,20 0,11 Art ant.
    1e 4,17 1,41 0,49 0,18 0,11 Art ant.
    1f 4,25 1,44 0,47 0,18 0,08 Art ant.
    1g 4,25 1,44 0,47 0,18 0,08 Art ant.
    1h 4,25 1,44 0,47 0,18 0,08 Art ant.
    1i 4,32 1,43 0,48 0,18 0,10 Art ant.
    1j 4,20 1,38 0,50 0,17 0,07 Art ant.
    1k 4,17 1,41 0,49 0,18 0,11 Invention
    1l 4,17 1,41 0,49 0,18 0,11 Invention
    1m 4,18 1,46 0,47 0,18 0,09 Invention
    1n 4,18 1,46 0,47 0,18 0,09 Invention
    1p 3,99 1,31 0,40 0,08 0,03 Invention
    1q 3,99 1,31 0,40 0,08 0,03 Invention
    Figure 00120001
    On constate que le choix judicieux de la composition chimique, suggéré par WO 96/29440, ne suffit pas à lui seul à améliorer la formabilité d'une façon conforme à l'objectif de la présente invention. En revanche, la demanderesse a observé que le choix d'une température de sortie du laminoir à chaud élevée conduit à une amélioration de la formabilité, exprimée par l'allongement à rupture A. l'effet de la composition chimique (notamment Cu < 4,3 et préférentiellement < 4,2 ; Si < 0,10 ; Fe < 0,10) n'étant qu'auxiliaire.
    On voit que le procédé selon l'invention assure une meilleure aptitude à la mise en forme à l'état F, exprimée en termes de A%, de LDH ou de CLF, que le procédé selon l'art antérieur. Plus particulièrement, une bande laminée à froid a une valeur de LDH supérieure à 42 mm et préférentiellement supérieure à 44 mm, tandis qu'une bande laminée à chaud a une valeur de LDH supérieure à 73 et préférentiellement supérieure à 75 mm. On voit également que pour une épaisseur donnée, la composition préférentielle donne une meilleure formabilité que la composition traditionnelle.
    Les caractéristiques mécaniques du produit intermédiaire (Rm, Rp0,2 etc.) n'ont pas d'importance dans cette situation, à condition que le produit fini à l'issue de l'ensemble du procédé possède des caractéristiques mécaniques au moins aussi élevées que le produit issu du procédé selon l'art antérieur. A l'état T42, tel que défini par le projet de norme prEN 4211 de juillet 1995, pour une épaisseur de 6 mm et avec une gamme de fabrication identique, les deux produits ont des propriétés mécaniques équivalentes.
    Pour le procédé selon l'invention, on note également un effet cumulé de la température de sortie du laminoir à chaud (ex. 1e et 1j comparés à 1k et 1n) et de la composition chimique (ex 1p et 1q comparés à 1k et 1n).
    La valeur de la LDH et le niveau des courbes CLF sont plus faibles pour une tôle écrouie à froid que pour une tôle qui n'a subi qu'un laminage à chaud ; cet effet est connu. En revanche, la demanderesse a eu la surprise de constater que pour un procédé donné (laminage à chaud) et à épaisseur comparable, la valeur de LDH, qui est un des paramètres pertinents pour mesurer la formabilité, augmente significativement lorsque la composition chimique se situe à l'intérieur d'un domaine préférentiel : Cu 3,9 - 4,3 et préférentiellement 3,9 - 4,2, Mg 1,2 - 1,4 et préférentiellement 1,25 - 1,35, Mn 0,30 - 0,45, Si < 0,10 et préférentiellement < 0,08, Fe < 0,10. Par ailleurs, la demanderesse a trouvé que la formabilité est encore améliorée lorsque certains éléments d'addition et d'impuretés sont strictement contrôlés, de la façon suivante: Zn < 0,20% , Cr < 0,07% et de préférence < 0,05% , Zr < 0,07% et de préférence < 0,05 % , Ti 0,07 % et de préférence < 0,05%.
    Exemple 2 comparatif
    On a élaboré divers alliages dont les compositions sont indiquées dans le Tableau 3. Des plaques de laminage ont été coulées, scalpées, puis homogénéisées à une température comprise entre 470 C et 510 °C pendant 2 h à 12 h. Après placage avec un alliage 1050, les plaques ont été laminées à chaud (procédé abrégé " LàC ") jusqu'à une épaisseur finale supérieure ou égale à 4 mm ; pour des épaisseurs inférieures, on a laminé les bandes à froid. Après découpe des bandes en tôles, celles-ci ont été soumises à une mise en solution typique pour ces types d'alliages (voir prEN 4211 de juillet 95), trempées et caractérisées 30 minutes après la trempe. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 4. Afin de pouvoir comparer de façon rigoureuse les échantillons, la mise en solution et la trempe ont été effectuées sur des éprouvettes usinées prêtes à l'emploi, et pour chaque caractérisation des propriétés mécaniques, la déformation a débuté exactement 30 minutes après la fin de la trempe. Les exemples 2h, 2L, 2m, 2p correspondent à l'art antérieur.
    On voit que le procédé conduit pour les exemples 2a, 2b, 2l, 2j, 2k, 2n, à épaisseur comparable, à une meilleure formabilité à l'état W, telle qu'elle ressort des propriétés suivantes: allongement total A%, allongement réparti Ag, allongement en traction plane Atp, LDH, CLF. En ce qui concerne la courbe limite de formage, on constate que pour une tôle d'épaisseur 5 mm (ex. 2n), on a, contrairement à une tôle selon l'art antérieur pratiquement de la même épaisseur (ex. 2p) un coefficient ε1 0,22 pour L = 500 mm, et ε2 > 0,18 pour L = 500 mm.
    L'avantage du procédé ci-dessus par rapport à l'art antérieur est donc de pouvoir effectuer des mises en forme plus profondes à l'état W, voire d'éliminer une mise en solution intermédiaire pour les mises en forme très profondes.
    Il a été ainsi possible de fabriquer des pièces en une seule passe, alors que selon l'art antérieur, deux passes étaient nécessaires pour les réaliser.
    Figure 00150001
    Figure 00160001
    Exemple 3 comparatif
    On a élaboré divers alliages dont les compositions sont indiquées dans le Tableau 5. Des plaques de laminage ont été coulées, scalpées, puis homogénéisées à une température comprise entre 460°C et 510°C pendant 3 h à 6 h. Après placage avec un alliage 1050, les plaques ont été laminées à chaud jusqu'à une épaisseur finale supérieure ou égale à 4 mm ; pour des épaisseurs inférieures, on a laminé les bandes à froid. Les tôles découpées à partir de ces bandes ont été soumises à une mise en solution typique pour ces types d'alliages indiquée dans le Tableau 6 (voir prEN 4211 de juillet 95), trempées, mûries (au moins 48 h à température ambiante). Ensuite on a effectué un écrouissage à froid par défripage, suivi d'une traction contrôlée avec une déformation permanente visée de 1,5 %. Les résultats sont rassemblés dans le tableau 6.
    Les exemples 3s, 3t, 3u, 3v, 3w correspondent à l'art antérieur. Les exemples 3a, 3c, 3d correspondent aux exemples 2h, 2L et 2m de l'exemple 2; ils figurent ici à titre de comparaison pour représenter un 2024 état W selon l'art antérieur.
    Lorsque l'on compare les tôles de composition optimisée à l'état T3 aux tôles utilisées dans les procédés selon l'art antérieur, c'est-à-dire un alliage 2024 à l'état T3 (exemples 3s, 3t, 3u, 3v, 3w) ou W (exemples 3a, 3b, 3c, 3d)), on constate que pour une épaisseur donnée, le procédé conduit à une meilleure formabilité, telle qu'elle ressort de l'allongement à rupture et surtout des valeurs LDH et CLF. Le retour élastique est moins élevé que selon l'art antérieur.
    Plus particulièrement, lorsque la composition chimique se situe dans le domaine préférentiel, le procédé conduit à une amélioration de la formabilité telle qu'elle est caractérisée par les paramètres qui viennent d'être énumérés. Il est possible d'effectuer une mise en forme beaucoup plus sévère qu'à l'état T3 de l'art antérieur, ou même supprimer la mise en solution puisque le procédé conduit à un produit à l'état T3 qui a des propriétés de formabilité au moins aussi bonnes que le produit à l'état W issu du procédé selon l'art antérieur.
    Par ailleurs, on a effectué sur deux tôles un étirage conduisant à un allongement total de 3% ou 5 %, et on a mesuré avant et après étirage les propriétés de tolérances aux dommages, à savoir la ténacité KC0 et KC dans les sens T-L et L-T. On a également mesuré les caractéristiques mécaniques dans le sens T-L. Les résultats sont rassemblés dans le Tableau 7.
    On constate que le procédé ne conduit pas, après mise en forme par étirage, à une diminution notable des propriétés de tolérance aux dommages, contrairement au procédé selon l'art antérieur. On constate même que le procédé améliore la tolérance aux dommages sur un état étiré, soit l'état dans lequel se trouve la pièce à l'état fini.
    Figure 00190001
    Figure 00200001
    Figure 00210001
    Figure 00220001
    Ex Rp0,2 (TL) [MPa] Rm (TL) [MPa] A% KC0 (T-L) [MPa√m] KC (T-L) [MPa√m] KC0 (L-T) [MPa√m] KC (L-T) [MPa√m]
    3u 317 445 20,1 78 122 93,1 139,6
    3u () 353 455 17 74,1 103,6 88,5 116,3
    3x 295 432 24,1 81,6 137,7 91 148,3
    3x () 358 455 16,2 85,6 129,7 93,3 137,5
    3x () 344 452 18,8 84,2 131,3 95,4 138,5

    Claims (13)

    1. Procédé de fabrication de pièces fortement déformées en alliage AlCuMg comportant les étapes successives suivantes:
      a) coulée d'une plaque de composition (% en poids): Cu: 3,8 - 4,5   Mg: 1,2 - 1,5 Mn: 0,3 - 0,5   Si < 0,25   Fe < 0,20   Zn < 0,20   Cr < 0,10 Zr < 0,10   Ti < 0,10 , reste Al et impuretés
      b) homogénéisation à une température comprise entre 460 et 510°C entre 2 et 12 h, et préférentiellement à une température comprise entre 470 et 500°C pour une durée entre 3 et 6 h,
      c) laminage à chaud avec une température d'entrée comprise entre 430 et 470°C, et de préférence comprise entre 440 et 460°C, et avec une température de sortie de la bande supérieure à 300°C,
      d) découpe de la bande obtenue à l'étape c) en tôles,
      e) mise en forme des tôles découpées par un ou plusieurs procédés choisis parmi l'étirage-formage, l'emboutissage, le fluotournage ou le pliage,
      f) mise en solution entre 480 et 500°C, d'une durée comprise entre 5 mn et 1 h,
      g) trempe.
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pièce formée est soumise, après mise en solution et trempe, au procédé suivant:
      a) éventuellement transfert immédiat de la pièce fraíchement trempée dans une chambre froide à une température inférieure à 10°C et préférentiellement inférieure à 0°C ,
      b) moins d'une heure après la trempe ou la sortie de la pièce de la chambre froide, nouvelle mise en forme de la tôle par un ou plusieurs procédés choisis parmi l'étirage-formage, l'emboutissage, le fluotournage ou le pliage.
    3. Procédé de fabrication de pièces fortement déformées en alliage AlCuMg selon la revendication 1, dans lequel lesdites tôles présentent après découpe dans les sens L et LT, un allongement à rupture A supérieur à 13,5% et préférentiellement supérieur à 15%.
    4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tôle est plaquée sur une face ou sur les deux faces par une autre tôle en alliage d'aluminium.
    5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la température de sortie du laminage à chaud est >300°C, et de préférence >310°C.
    6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la teneur en Cu est comprise entre 3,9 et 4,3%, et préférentiellement entre 3,9 et 4,2%.
    7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la teneur en Mg est comprise entre 1,2 et 1,4 %, et préférentiellement entre 1,25 et 1,35 %.
    8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la teneur en Mn est comprise entre 0,30 et 0,45 %.
    9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la teneur en Si est inférieure à 0,10% et de préférence inférieure à 0,08%.
    10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la teneur en Fe est inférieure à 0,10%.
    11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que Cr < 0,07% et de préférence < 0,05% , Zr < 0,07% et de préférence < 0,05 % , Ti 0,07% et de préférence < 0,05%.
    12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que Cu 3,9 - 4,3 Mg 1,2 - 1,4 Mn 0,30 - 0,45 Si < 0,10 Fe < 0,10 et en ce que la tôle laminée à chaud montre une valeur LDH supérieure à 73 mm.
    13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la tôle laminée à chaud montre une valeur LDH supérieure à 75 mm.
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