EP1347071A1 - Tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium et procédé de fabrication d'un emballage à partir de cette tôle - Google Patents

Tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium et procédé de fabrication d'un emballage à partir de cette tôle Download PDF

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EP1347071A1 EP03290523A EP03290523A EP1347071A1 EP 1347071 A1 EP1347071 A1 EP 1347071A1 EP 03290523 A EP03290523 A EP 03290523A EP 03290523 A EP03290523 A EP 03290523A EP 1347071 A1 EP1347071 A1 EP 1347071A1
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carbon
aluminum
steel
packaging
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Definitions

  • the present invention relates to a cold-worked steel plate aluminum, intended for the manufacture of packaging and a process for manufacture of packaging, having for application the field of packaging metallic, food, non-food or industrial.
  • Beverage box type packaging is produced by implementation of steel sheets, and we generally distinguish two-piece packaging consisting of a bottom and a body, comprising a side wall and a bottom, and three-piece packages consisting of an electrically welded body and of two funds.
  • the thicknesses of the steel sheets for packaging vary from 0.12 mm to 0.25 mm for the majority of uses, but may reach greater thicknesses, up to 0.49 mm for very large applications special. They can also go down to 0.08 mm, for example in the case of food trays.
  • Packaging companies are showing an increasing interest in steels of ever smaller thicknesses, from 0.12 mm to 0.075 mm and, in the concern to differentiate themselves from competitors, they seek to innovate in increasingly complex forms.
  • There is therefore a demand for boxes of original shapes, made with thin steel sheets which, although having greater forming difficulties, must respond to the criteria of use which are in particular the mechanical strength of the packaging, the resistance to the axial load which they undergo during their stacking storage, the internal overpressure resistance they undergo during sterilization heat treatment and depression they undergo after cooling.
  • the steel sheets must therefore have a very high tensile strength Rm, and good ductility.
  • the object of the present invention is therefore to remedy the disadvantages of the sheets of the prior art by providing a sheet for manufacturing steel packaging with good mechanical strength and good ductility, and whose physical properties have a low dispersion.
  • a first object of the invention consists of a sheet work hardened in steel quenched in aluminum, comprising by weight between 0.003 and 0.130% carbon, between 0.10 and 1% manganese, between 0.010 and 0.100% aluminum, between 0.0015 and 0.0140% nitrogen, the rest being iron and impurities resulting from processing, and in that it includes a content of carbon in solid Css solution of at least 50 ppm.
  • the present inventor has noted in particular that there is a threshold of carbon content in solid solution in the sheet steel before setting work, beyond which the mechanical characteristics of the packaging produced with these sheets vary little.
  • the sheets of art carbon containing solid solution have values up to 15 to 30 ppm maximum.
  • a sheet which achieves the TH720 (DR10) quality with an elastic limit greater than 700 MPa, after work hardening.
  • a second object of the invention is constituted by a method of manufacture of an aluminum calm steel packaging, including the step consisting in subjecting a cold-worked steel plate to shaping at aluminum, according to the invention, and optionally comprising a treatment thermal of said shaped sheet.
  • the shaping of the sheet is a stamping operation.
  • the shaping of the sheet is a deep drawing operation followed by ironing.
  • the carbon content targeted in the context of the present invention is between 0.003% and 0.130%.
  • carbon in a second embodiment, we prefer contents in carbon between 0.060% and 0.080% by weight. Carbon content is chosen greater than 0.060% to obtain a sheet having a greater hardness. However, the carbon content is limited to 0.080%, because beyond this observes difficulties with cold rolling.
  • the manganese content targeted in the context of the present invention is between 0.10% and 1%.
  • the manganese content is between 0.15 and 0.50% by weight, which allows to obtain less hard sheets.
  • the manganese content is between 0.35 and 0.50% by weight, which increases the aging tendency of the sheet.
  • the nitrogen content targeted in the context of the present invention is between 0.0015 and 0.0140% by weight of nitrogen. We prefer however limit the nitrogen content between 0.0020 and 0.0060% in order to avoid too much hardening of the steel by this element, which would degrade the cold rollability.
  • the steel sheets to be shaped by the process according to the invention can be obtained by any suitable method.
  • the main factors involved in defining the rate of cold reduction are the final thickness of the product, as well as the incidence of rate of cold reduction on the microstructural state, and consequently on the mechanical characteristics after recrystallization and annealing. So more the cold reduction rate increases, the higher the recrystallization temperature is weak, the weaker the grains and the higher Re and Rm. In in particular, the reduction rate can have a very strong impact on the Lankford coefficient.
  • the sheets can then be annealed and cold-worked with a skin-pass with a variable elongation rate between 0.2% and 45% depending on the level of tensile strength Rm or the elastic limit targeted.
  • the annealing cycles used for these steels for packaging are constructed based on the Mohri annealing cycle which includes three phases of a duration of about 20 seconds and which breaks down into a phase of heating to reach the holding temperature, then a phase of hold, followed by a cooling down to temperature room.
  • the sheets to be shaped by the method according to the invention must however contain a minimum quantity of carbon in solution solid after annealing. Such a result can in particular be obtained by now carbon in solid solution, by cooling fast enough after the high temperature maintenance phase.
  • maintaining carbon in solid solution can be obtained with cooling rates between 7 and 600 ° C by second.
  • the sheets are subjected to work hardening at a rate 5% elongation, followed by an aging treatment of 20 minutes at 200 ° C.
  • the carbon content in solid solution of these sheets is determined either by measuring the internal friction coefficient, or by measuring the thermoelectric power according to a conventional protocol.
  • Another characteristic of the three series of sheets is their content nitrogen in solid solution.
  • the A series does not contain any, while the B series does contains 50 ppm and the C series contains 100 ppm. We see that this nitrogen in solid solution has no action on the dispersion of the elastic limit of sheets, above the 50 ppm carbon threshold in solid solution.
  • composition A comprising 52 ppm carbon in solid solution, and, following annealing similar to that described in point 1., one subjects them to a work hardening whose rate SP elongation is variable.

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Abstract

L'invention concerne une tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium, qui, comporte en poids entre 0,003 et 0,130% de carbone, entre 0,10 et 1% de manganèse, entre 0,010 et 0,100% d'aluminium, entre 0,0015 et 0,0140% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, et qui comprend une teneur en carbone en solution solide Css d'au moins 50 ppm, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un emballage à partir de cette tôle. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium, destinée à la fabrication d'emballages ainsi qu'un procédé de fabrication d'emballages, ayant pour application le domaine de l'emballage métallique, alimentaire, non alimentaire ou industriel.
Les emballages type boíte boisson sont fabriqués par mise en oeuvre de tôles d'acier, et on distingue généralement les emballages deux-pièces constitués d'un fond et d'un corps, comprenant une paroi latérale et un fond, et les emballages trois-pièces constitués d'un corps soudé électriquement et de deux fonds.
Dans le cas des emballages deux-pièces, ceux-ci sont réalisés par emboutissage sous serre-flan, ou par emboutissage/repassage pour les boites boissons, et se présentent généralement sous forme de boites axisymétriques, cylindriques ou tronconiques.
Lorsqu'on fabrique un fond pour boíte boisson, par exemple, on dépose, après l'étape de mise en forme, un joint dans la cuvette de sertissage pour assurer l'étanchéité de l'emballage, et on fait subir au tout un traitement thermique de polymérisation du joint.
Les épaisseurs des tôles d'acier pour emballage varient de 0,12 mm à 0,25 mm pour la plus grande majorité des utilisations, mais peuvent atteindre des épaisseurs plus importantes, jusqu'à 0,49 mm pour des applications très particulières. Elles peuvent également descendre jusqu'à 0,08 mm, par exemple dans le cas des barquettes alimentaires.
Les emballagistes montrent un intérêt de plus en plus marqué pour des aciers d'épaisseurs toujours plus faibles, de 0,12 mm à 0,075 mm et, dans le souci de se différencier des concurrents, ils cherchent à innover dans des formes de plus en plus complexes. Il existe donc une demande de boites de formes originales, fabriquées avec des tôles d'acier de faibles épaisseurs qui, bien que présentant de plus grandes difficultés de formage, doivent répondre aux critères d'utilisation que sont notamment la tenue mécanique de l'emballage, la résistance à la charge axiale qu'ils subissent lors de leur entreposage en empilement, la résistance à la surpression interne qu'ils subissent pendant le traitement thermique de stérilisation et à la dépression interne qu'ils subissent après le refroidissement. Les tôles d'acier doivent donc présenter une très haute résistance à la traction Rm, et une bonne ductilité.
Mais, on observe dans la pratique une grande dispersion des propriétés physiques des emballages obtenus après mise en forme et traitement thermique des tôles d'acier. Ainsi, pour un fond d'emballage, les valeurs des propriétés que sont la pression de non retour (PNR) et la pression de becquet sont fortement dispersées.
Cette dispersion ne permet pas de garantir que les emballages fabriqués seront aptes à remplir les critères d'utilisation évoqués ci-dessus. La productivité s'en trouve nécessairement diminuée.
Le but de la présente invention est donc de remédier aux inconvénients des tôles de l'art antérieur en mettant à disposition une tôle permettant de fabriquer des emballages en acier présentant une bonne résistance mécanique et une bonne ductilité, et dont les propriétés physiques présentent une faible dispersion.
A cet effet, un premier objet de l'invention est constitué par une tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium, comportant en poids entre 0,003 et 0,130% de carbone, entre 0,10 et 1% de manganèse, entre 0,010 et 0,100% d'aluminium, entre 0,0015 et 0,0140% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, et en ce qu'elle comprend une teneur en carbone en solution solide Css d'au moins 50 ppm.
Le présent inventeur a notamment constaté qu'il existe un seuil de teneur en carbone en solution solide dans l'acier de la tôle avant mise en oeuvre, au-delà duquel les caractéristiques mécaniques des emballages fabriqués avec ces tôles varient peu. A titre de comparaison, les tôles de l'art antérieur contenant du carbone en solution solide, présentent des valeurs allant jusqu'à 15 à 30 ppm au maximum.
La tôle selon l'invention peut en outre présenter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
  • la tôle comporte entre 0,010 et 0,080% en poids de carbone, entre 0,15 et 0,50% de manganèse, entre 0,0020 et 0,0060% d'azote, et entre 0,010 et 0,100% d'aluminium,
  • la tôle comporte entre 0,060 et 0,080% en poids de carbone, entre 0,35 et 0,50% de manganèse, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, et entre 0,010 et 0,100% d'aluminium,
  • la tôle a été écrouie jusqu'à un taux d'allongement compris entre 3 et 8%,
  • la tôle présente une limite d'élasticité supérieure à 660 MPa, et de préférence, supérieure à 700 MPa.
On préfère plus particulièrement une tôle qui permet d'atteindre la qualité TH720 (DR10) présentant une limite d'élasticité supérieure à 700 MPa, après écrouissage.
Un second objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication d'un emballage en acier calmé à l'aluminium, comprenant l'étape consistant à faire subir une mise en forme à une tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium, selon l'invention, et comprenant éventuellement un traitement thermique de ladite tôle mise en forme.
Dans un mode de réalisation préféré, la mise en forme de la tôle est une opération d'emboutissage.
Dans un autre mode de réalisation préféré, la mise en forme de la tôle est une opération d'emboutissage suivie d'un repassage.
Pour la réalisation d'emballages, il est connu d'utiliser des aciers standards à bas carbone et bas manganèse, calmés à l'aluminium.
La teneur en carbone visée dans le cadre de la présente invention est comprise entre 0,003% et 0,130%. Dans un premier mode de réalisation, on préfère des teneurs en carbone comprises entre 0,010% et 0,080% en poids, car on obtient ainsi des tôles présentant une ductilité améliorée, permettant de fabriquer des emballages à formes complexes.
Dans un second mode de réalisation, on préfère des teneurs en carbone comprises entre 0,060% et 0,080% en poids. La teneur en carbone est choisie supérieure à 0,060% pour obtenir une tôle ayant une plus grande dureté. On limite cependant la teneur en carbone à 0,080%, car au-delà on observe des difficultés de laminage à froid.
La teneur en manganèse visée dans le cadre de la présente invention est comprise entre 0,10% et 1%. Dans un premier mode de réalisation préféré, la teneur en manganèse est comprise entre 0,15 et 0,50% en poids, ce qui permet d'obtenir des tôles moins dures. Dans un second mode de réalisation préféré, la teneur en manganèse est comprise entre 0,35 et 0,50% en poids, ce qui augmente la tendance au vieillissement de la tôle.
La teneur en azote visée dans le cadre de la présente invention est comprise entre 0,0015 et 0,0140% en poids d'azote. On préfère cependant limiter la teneur en azote entre 0,0020 et 0,0060% afin d'éviter un trop grand durcissement de l'acier par cet élément, qui dégraderait la laminabilité à froid.
Les tôles d'acier devant être mises en forme par le procédé selon l'invention peuvent être obtenues par tout procédé adapté. En particulier, on peut les fabriquer de façon classique par un laminage à chaud d'une brame, suivi d'un laminage à froid avec un taux de réduction qui est en général compris entre 85% et plus de 90%, mais qui peut varier en fonction des caractéristiques souhaitées.
Les facteurs principaux qui interviennent dans la définition du taux de réduction à froid sont l'épaisseur finale du produit, ainsi que l'incidence du taux de réduction à froid sur l'état microstructural, et par voie de conséquence sur les caractéristiques mécaniques après recristallisation et recuit. Ainsi plus le taux de réduction à froid augmente, plus la température de recristallisation est faible, plus les grains sont faibles et plus Re et Rm sont élevés. En particulier, le taux de réduction peut avoir une incidence très forte sur le coefficient de Lankford.
Les tôles peuvent ensuite être recuites et écrouies à froid au skin-pass avec un taux d'allongement variable entre 0,2% et 45% selon le niveau de résistance à la traction Rm ou la limite d'élasticité visés.
Les cycles de recuit utilisés pour ces aciers pour emballage sont bâtis sur la base du cycle de recuit de Mohri qui comprend trois phases d'une durée de 20 secondes environ et qui se décompose en une phase de chauffage pour atteindre la température de maintien, puis une phase de maintien, suivie d'une phase de refroidissement jusqu'à la température ambiante.
Les tôles devant être mises en forme par le procédé selon l'invention doivent cependant contenir une quantité minimum de carbone en solution solide après avoir recuites. Un tel résultat peut notamment être obtenu en maintenant le carbone en solution solide, par un refroidissement suffisamment rapide après la phase de maintien à température élevée.
En fonction de la composition de l'acier et des caractéristiques que l'on souhaite obtenir, le maintien du carbone en solution solide peut être obtenu avec des vitesses de refroidissement comprises entre 7 et 600°C par seconde. Plus la vitesse de refroidissement est élevée, plus la quantité de carbone en solution solide sera élevée.
L'invention va être illustrée par la description d'un exemple de réalisation donné à titre indicatif, et non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
  • la figure 1 présente une courbe de mesure de la limite d'élasticité Re de tôles écrouies, en fonction de leurs teneurs en carbone en solution solide Css,
  • la figure 2 présente une courbe de mesure de la résistance à la traction Rm d'éprouvettes, en fonction de leur taux d'allongement SP au skin-pass lors de l'écrouissage.
Exemple 1. Seuil de carbone en solution solide Css
On fabrique trois séries de tôles dont les teneurs en carbone, manganèse, aluminium et azote total, exprimées en % en poids, sont rassemblées dans le tableau suivant :
Série Carbone Manganèse Aluminium Azote
A 0,053 0,424 0,047 0,0053
B 0,072 0,314 0,017 0,0049
C 0,062 0,352 0,016 0,0104
Le reste des compositions est constitué de fer et d'impuretés inévitables.
Chaque série de tôles contient des quantités variables de carbone en solution solide, obtenues par un recuit dont les caractéristiques sont les suivantes :
  • temps de chauffage : 20 s
  • température de maintien : 680°C
  • temps de maintien : 20 s
  • vitesse de refroidissement jusqu'à l'ambiante : comprise entre 7°C/s et 10°C/s.
Après ce recuit, on fait subir aux tôles un écrouissage à un taux d'allongement de 5%, suivi d'un traitement de vieillissement de 20 minutes à 200°C.
La teneur en carbone en solution solide de ces tôles est déterminée soit par la mesure du coefficient de frottement interne, soit par la mesure du pouvoir thermo-électrique selon un protocole classique.
On mesure ensuite les limites d'élasticité des ces trois séries de tôles et les résultats sont présentés sur la figure 1.
On constate que, jusqu'à un seuil de 50 ppm environ, la limite d'élasticité varie très fortement en fonction de la teneur de l'emballage en carbone en solution solide. La pente des trois courbes dépasse 1,5 MPa/ppm (courbe A : 7,5 MPa/ppm, courbe B : 3 MPa/ppm, courbe C : 1,5MPa/ppm). Or, une caractéristique comme la pression de non retour est directement proportionnelle à la valeur de la limite d'élasticité de la tôle avant mise en forme. Cette forte variation de la limite d'élasticité entraíne donc une grande dispersion de la pression de non retour.
A contrario, au delà de 50 ppm de carbone en solution solide, on observe que la limite d'élasticité varie beaucoup moins, d'où une faible dispersion des propriétés physiques des emballages fabriqués. La pente des trois courbes n'est alors plus que de 0,7 MPa/ppm.
Une autre caractéristique des trois séries de tôles est leur teneur en azote en solution solide. La série A n'en contient pas, tandis que la série B en contient 50 ppm et la série C en contient 100 ppm. On constate que cet azote en solution solide est sans action sur la dispersion de la limite d'élasticité des tôles, au-delà du seuil de 50 ppm de carbone en solution solide.
2. Résistance à la traction Rm
On fabrique une série d'éprouvettes de composition A comprenant 52 ppm de carbone en solution solide, et, à la suite d'un recuit analogue à celui décrit au point 1., on les soumet à un écrouissage dont le taux d'allongement SP est variable.
Les résultats de ces essais sont représentés sur la courbe de la figure 2. On peut voir que la tôle selon l'invention permet d'atteindre des niveaux de Rm dépassant 700 MPa pour des taux d'allongement au skin-pass inférieurs à 30%, ce qui est une valeur tout à fait réalisable industriellement.

Claims (9)

  1. Tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium, caractérisé en ce qu'elle comporte en poids entre 0,003 et 0,130% de carbone, entre 0,10 et 1% de manganèse, entre 0,010 et 0,100% d'aluminium, entre 0,0015 et 0,0140% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, et en ce qu'elle comprend une teneur en carbone en solution solide Css d'au moins 50 ppm.
  2. Tôle selon la revendication 1, caractérisée en outre ce qu'elle comporte en outre entre 0,010 et 0,080% en poids de carbone, entre 0,15 et 0,50% de manganèse, entre 0,0020 et 0,0060% d'azote, et entre 0,010 et 0,100% d'aluminium.
  3. Tôle selon la revendication 1, caractérisée en outre ce qu'elle comporte en outre entre 0,060 et 0,080% en poids de carbone, entre 0,35 et 0,50% de manganèse, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, et entre 0,010 et 0,100% d'aluminium.
  4. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle a été écrouie jusqu'à un taux d'allongement compris entre 3 et 8%.
  5. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle présente une limite d'élasticité supérieure à 660 MPa.
  6. Tôle selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle présente une limite d'élasticité supérieure à 700 MPa.
  7. Procédé de fabrication d'un emballage en acier calmé à l'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à faire subir une mise en forme à une tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et en ce qu'il comprend éventuellement un traitement thermique de ladite tôle mise en forme.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite mise en forme est une opération d'emboutissage.
  9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite mise en forme est une opération d'emboutissage suivie d'un repassage.
EP03290523A 2002-03-21 2003-03-05 Tôle écrouie en acier calmé à l'aluminium et procédé de fabrication d'un emballage à partir de cette tôle Revoked EP1347071B1 (fr)

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