EP3199655A2

EP3199655A2 - Tole en alliage d'aluminium pour structure de caisse automobile

Info

Publication number: EP3199655A2
Application number: EP17162984.3A
Authority: EP
Inventors: Gilles Guiglionda; Hervé Ribes; Dominique Daniel
Original assignee: Constellium Neuf Brisach SAS
Current assignee: Constellium Neuf Brisach SAS
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2017-08-02
Also published as: BR112016000278B1; RU2016104405A; US10253402B2; RU2690253C2; WO2015004340A1; FR3008427B1; JP6625530B2; DE17162984T1; FR3008427A1; KR20160030563A; DE14758586T1; EP3019637A1; EP3199655A3; US20160168677A1; CN105378125B; CN105378125A; JP2016525630A; RU2016104405A3; EP3019637B1

Abstract

L'invention a pour objet l'utilisation d'une tôle en alliage d'aluminium pour fabriquer une pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc », ladite tôle présentant une limite d'élasticité Rp_0,2 supérieure ou égale à 60 MPa et un allongement en traction uni axiale A₈₀ supérieur ou égal à 34 %.

L'invention a également pour objet le procédé de fabrication d'une telle pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile fabriquée à partir de ladite tôle et choisie par exemple dans le groupe comprenant les panneaux intérieurs ou doublures de portières, plancher d'habitacle, plancher de coffre, logement de roue de secours ou encore côté d'habitacle.

Description

Domaine de l'invention

L'invention concerne le domaine des tôles en alliage d'aluminium destinées à la fabrication de pièces de carrosserie ou de structure automobile encore appelée « caisse en blanc ».
Plus précisément, l'invention porte sur l'utilisation de telles tôles possédant une excellente formabilité en emboutissage, permettant ainsi de réaliser des pièces de géométrie complexe ou nécessitant des emboutis profonds comme par exemple une doublure de porte ou un plancher de charge. Les tôles utilisées selon l'invention sont particulièrement adaptées à la réalisation de pièces complexes dimensionnées en rigidité.
Elles présentent par ailleurs une excellente résistance à la corrosion filiforme.

Etat de la technique

En préambule, tous les alliages d'aluminium dont il est question dans ce qui suit sont désignés, sauf indication contraire, selon les désignations définies par l' « Aluminum Association » dans les « Registration Record Series » qu'elle publie régulièrement.
Toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l'alliage.
Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515.
Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la résistance à la rupture R_m, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2 % d'allongement Rp_0,2, et l'allongement à la rupture A%, sont déterminées par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1.
Les alliages d'aluminium sont utilisés de manière croissante dans la construction automobile pour réduire le poids des véhicules et ainsi diminuer la consommation de carburant et les rejets de gaz à effets de serre.
Les tôles en alliage d'aluminium sont utilisées notamment pour la fabrication de nombreuses pièces de la « caisse en blanc » parmi lesquelles on distingue les pièces de peau de carrosserie (ou panneaux extérieurs de carrosserie) comme les ailes avant, toits ou pavillons, peaux de capot, de coffre ou de porte, et les pièces de doublure ou composants de structure de caisse comme par exemple les doublures de porte, de capot, ou les planchers de charge (habitacle et coffre).
Si de nombreuses pièces de peau sont déjà réalisées en tôles d'alliages d'aluminium, la transposition de l'acier à l'aluminium de pièces de doublure ou de structure présentant des géométries complexes s'avère plus délicate du fait de la moins bonne formabilité en emboutissage des alliages d'aluminium comparée à celle des aciers. Un des facteurs limitant l'aptitude à l'emboutissage profond, notamment dans le cas des tôles en alliage d'aluminium, est le phénomène de fissuration à partir des bords de tôle.
En effet, pour les grandes pièces automobiles de géométrie complexe, en particulier comportant des zones nécessitant des emboutis profonds, il est courant de réaliser des flans de forme munis de découpes plus ou moins circulaires à l'intérieur du flan pour faciliter l'écoulement de la matière depuis l'intérieur du flan vers les coins ou les murs profonds. Lors de l'emboutissage, ces découpes intérieures se voient sollicitées en expansion et peuvent être à l'origine d'une rupture prématurée, pour des niveaux de déformation bien en dessous du niveau donné par la Courbe Limite de Formage (CLF).
Il existe cependant d'ores et déjà des automobiles disposant d'une caisse en blanc constituée majoritairement d'alliages aluminium. Toutefois, dans ces cas là, la conception desdites caisses, et notamment le tracé des pièces en tôles embouties, ont été pensés dès l'origine en prenant en compte la formabilité limitée des alliages d'aluminium.
C'est pourquoi les constructeurs d'automobiles sont fortement demandeurs de tôles en alliages d'aluminium présentent une formabilité en emboutissage nettement améliorée qui faciliterait grandement la transposition à l'aluminium de pièces de géométrie complexe actuellement réalisées en acier. Ces dernières pourraient alors être transposées de l'acier à l'aluminium sans qu'il ne soit nécessaire de reconcevoir complètement le tracé ou le découpage des pièces constitutives.
Les coûts de développement d'une nouvelle conception adaptée à l'aluminium ainsi que ceux associés à la fabrication d'outils d'emboutissage spécifiques pourraient être ainsi fortement réduits.
Tel est le contexte de la présente invention.
Plus précisément, à ce jour, le choix des alliages pour application en peau de carrosserie résulte d'un compromis entre exigences parfois antagonistes telles que : formabilité, résistance mécanique finale après cuisson des peintures, limite d'élasticité lors de la mise en forme, aptitude au sertissage, qualité de surface, aptitude à l'assemblage, résistance à la corrosion, coût, aptitude au recyclage, etc... Face à de telles exigences, ont été retenus à ce jour les alliages du type Al-Mg-Si, c'est-à-dire des alliages de la série AA6xxx.
En effet, les alliages des types AA6016, AA6016A, AA6005A, AA6014, pour ce qui est de l'Europe, et les alliages AA6111 et AA6022 aux Etats-Unis, sont les plus utilisés pour ce type d'applications, dans des épaisseurs de l'ordre de 1mm, principalement du fait de leur relativement bonne formabilité en emboutissage et sertissage à l'état « trempé » T4, de leur important durcissement lors de la cuisson des peintures et de leur excellent aspect de surface après mise en forme.
Pour les pièces de doublure ou de structure de caisse, présentant des géométries bien plus complexes, pour lesquelles la formabilité en emboutissage est prépondérante, les alliages de la série AA5xxx (Al-Mg) à teneur limitée en magnésium (typiquement Mg ≤ 5 %) sont, à ce jour, les plus utilisés, principalement parce qu'ils offrent un bon compromis entre formabilité à l'état recuit ou état O, propriétés mécaniques après mise en forme, stabilité thermique et résistance à la corrosion en service. Les plus couramment utilisés sont les alliages des types AA5182, AA5754, et AA5454.
En outre, pour la réalisation en alliage d'aluminium de pièces de géométrie complexe, comme notamment une doublure de portière, non réalisable par emboutissage conventionnel avec les alliages précités, différentes solutions ont été envisagées et/ou mises en oeuvre par le passé :

Contourner la difficulté liée à l'emboutissage en réalisant ce type de pièces par moulage et notamment du type « Sous-Pression ». En témoigne le brevet EP 1 305 179 B1 de Nothelfer GmbH sous priorité de 2000.
Pratiquer un emboutissage dit « à tiède » pour bénéficier d'une meilleure aptitude à l'emboutissage. Cela consiste à chauffer le flan en alliage d'aluminium, totalement ou localement à une température dite intermédiaire, soit de 150 à 350°C, pour améliorer son comportement sous la presse dont l'outillage peut également être préchauffé. Le brevet EP 1 601 478 B1 de la demanderesse, sous priorité de 2003, repose sur cette solution.
Modifier, via sa composition, l'aptitude à l'emboutissage de l'alliage de la série AA5xxx lui-même ; il a été notamment proposé d'augmenter la teneur en magnésium au-delà de 5%. Mais ceci n'est pas neutre en termes de résistance à la corrosion.
Utiliser des tôles composites constituées d'une âme en alliage de la série AA5xxx, à teneur en Mg au-delà de 5% pour une meilleure formabilité, et d'une tôle de placage en alliage résistant mieux à la corrosion. Mais la résistance à la corrosion en bords de tôle, dans les zones poinçonnées ou plus généralement où l'âme est exposée, et notamment dans les assemblages, peut alors s'avérer insuffisante.
Enfin procéder à un laminage asymétrique afin de créer une texture cristallographique plus favorable a également été proposé. En témoigne la demande JP 2003-305503 de Mitsubishi Aluminium). Mais l'industrialisation de ce type de laminage asymétrique est délicate, requiert des laminoirs spécifiques, peut avoir un impact défavorable sur l'aspect de surface des tôles obtenues, et peut aussi engendrer des surcoûts importants.

Enfin, pour ce qui concerne les alliages, une bonne aptitude à l'emboutissage est en général la combinaison d'une bonne aptitude à l'écrouissage, ou « écrouissabilité », si possible se maintenant jusqu'à des déformations intermédiaires de l'ordre de 20 %, d'une bonne ductilité et, pour les pièces de géométrie complexe comprenant des zones embouties profondément, d'un bon comportement en « expansion de trou ».
Hormis pour les alliages de la série AA1xxx (aluminium faiblement allié ou de pureté commerciale) qui présentent une excellente ductilité mais associée à des niveaux de caractéristiques mécaniques très faibles, c'est-à-dire typiquement un allongement en traction uni-axiale de A₅₀ = 43 % associé à une limite d'élasticité conventionnelle R_p0,2 de l'ordre de 28 MPa pour un alliage du type AA1060 à l'état O (selon « Aluminum and Aluminum Alloys - ASM Specialty Handbook, Edited by J.R.Davis (1993), Chapter: Properties of Wrought Aluminum and Aluminum Alloys »), il est difficile d'obtenir une excellente ductilité.
Les alliages dits non trempants, de la série AA3xxx (Al-Mn) ou AA5xxx (Al-Mg) ou AA8xxx (Al-Fe-Si), permettent d'obtenir des limites d'élasticité conventionnelles R_p0,2 plus élevées que celles des alliages de la série AA1xxx mais au détriment de la ductilité. Par ailleurs, pour la plupart d'entre eux, l'allongement en traction chute aux alentours de 25 % dès que la limite d'élasticité R_p0,2 dépasse la valeur de sensiblement 50 MPa.
Ainsi, l'allongement à rupture A₅₀ de l'alliage du type AA3003, qui est néanmoins connu pour sa bonne ductilité associée à une limite d'élasticité R_p0,2 de 40 MPa, voit son allongement A₅₀ chuter à sensiblement 25 % lorsque du magnésium est ajouté pour accroître la limite d'élasticité R_p0,2 jusqu'à 70 MPa, comme cela apparaît pour l'alliage AA3004.

Le tableau ci-dessous présente, en illustration des propos ci-dessus, les caractéristiques mécaniques typiques mesurées en traction uni axiale à température ambiante d'après « Aluminum and Aluminum Alloys - ASM Specialty Handbook » édité par J.R.Davis (1993), Chapitre: «Properties of Wrought Aluminum and Aluminum Alloys ».

	Alliage	Rp0,2 (MPa)	Rm (MPa)	A ₅₀ (%)
≥99.99%Al	AA1199-O	10	45	50
≥99.6%Al	AA1060-O	28	69	43
≥99.0%Al-0.12Cu	AA1100-O	34	90	40
Al-0.8Mg	AA5005-O	41	124	25
Al-1.2Mn-0.12Cu	AA3003-O	42	110	30-40
0.55Mn-0.55Mg	AA3105-O	55	115	24
Al-1.4Mg	AA5050-O	55	145	24
Al-1.2Mn-1.0Mg	AA3004-O	69	180	20-25
Al-2.5Mg-0.25Cr	AA5052-O	90	195	25
Al-4.5Mg-0.35Mn	AA5182-O	138	276	25
0.8Si-0.6Mg-0.5Mn-0.35Cu	AA6009-T4	131	234	24

Problème posé

L'invention vise à obtenir ce compromis de ductilité et de limite d'élasticité optimal, en proposant une tôle en alliage d'aluminium pour composants de structure automobile encore appelée « caisse en blanc », possédant une formabilité nettement améliorée, stable dans le temps et meilleure que l'état de la technique, et autorisant la réalisation par emboutissage conventionnel à température ambiante de pièces automobiles de géométrie complexe irréalisables à partir des tôles en alliage d'aluminium actuellement utilisées dans le domaine de la construction automobile. Cette tôle doit en outre posséder un minimum de résistance mécanique, mais aussi une très bonne résistance à la corrosion et notamment à la corrosion filiforme.

Objet de l'invention

L'invention a pour objet l'utilisation d'une tôle en alliage d'aluminium pour la fabrication d'une pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc », caractérisée en ce que ladite tôle présente une limite d'élasticité Rp_0,2 supérieure ou égale à 60 MPa et un allongement en traction uni axiale A₈₀ supérieur ou égal à 34 %.
Avantageusement, ladite tôle présente un rapport d'expansion de trou, connu de l'homme de métier sous l'appellation HER (Hole Expansion Ratio), supérieur à 50, voire supérieur ou égal à 55.
Selon un mode de réalisation préférentielle, sa composition est la suivante (% en poids) : Si : 0,15 - 0,50 ; Fe : 0,3 - 0,7 ; Cu : 0,05 - 0,10 ; Mn : 1,0 - 1,5 voire 1,0 - 1,2 et mieux 1,1 - 1,2; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
Selon un mode encore plus préférentiel, la teneur en Fe est au minimum de 0.3 %. Selon un autre mode, la teneur en Si préférée est de 0,15 à 0,30 %.
De préférence, le procédé de fabrication de ladite tôle comporte les étapes suivantes : Coulée continue ou semi-continue verticale d'une plaque et scalpage de ladite plaque,
Homogénéisation à une température d'au moins 600°C pendant au moins 5 heures, de préférence au moins 6 heures, suivie d'un refroidissement contrôlé jusqu'à la température de 550 à 450°C, typiquement 490°C, en au moins 7 heures, de préférence au moins 9 heures, puis d'un refroidissement jusqu'à température ambiante en au moins 24 heures avec, avantageusement, un refroidissement lent contrôlé jusqu'à sensiblement 150°C en au moins 15 heures, de préférence au moins 16 heures.
Réchauffage à une température de 480 à 530°C avec une montée à température d'au moins 8 heures, laminage à chaud, refroidissement puis laminage à froid et recuit à une température d'au moins 350°C,
Ecrouissage, typiquement par planage en traction ou entre rouleaux ou par « skin pass », avec un taux compris entre 1 et 10 %,
Décapage chimique de la couche mécaniquement perturbée connue sous l'appellation de MDL (Mechanically Disturbed Layer) ou encore couche de Beilby.
Selon un mode de mise en oeuvre plus préféré, le taux d'écrouissage précité est compris entre 1 et 5 %.
Selon un mode avantageux, le décapage chimique est réalisé, après dégraissage alcalin, en milieu acide avec une perte de masse de la tôle d'au moins 0,2 g/m² et par face.
Enfin, l'invention englobe également une pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile fabriquée par emboutissage à partir d'une tôle présentant l'une au moins des caractéristiques précitées. Elle est choisie, par exemple, dans le groupe comprenant les panneaux intérieurs ou doublures de portières, plancher d'habitacle, plancher de coffre, logement de roue de secours ou encore côté d'habitacle.

Description des figures

La figure 1 représente une coupe schématique de l'outillage utilisé pour mesurer le rapport d'expansion de trou (HER) avec en A le serre flan, en B le poinçon et en C la matrice.
La figure 2 précise les dimensions en mm des outils utilisés pour déterminer la valeur du paramètre connu de l'homme du métier sous le nom de LDH (Limit Dome Height) caractéristique de l'aptitude à l'emboutissage du matériau.
La figure 3 représente une structure de portière de véhicule automobile avec, au premier plan, le panneau intérieur typiquement réalisable à partir d'une tôle selon l'invention.

Description de l'invention

L'invention repose sur la constatation faite par la demanderesse qu'il était tout à fait possible d'utiliser, pour des tôles embouties de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc », des tôles possédant une excellente ductilité, notamment du fait d'un allongement à rupture A₈₀ supérieur ou égal à typiquement 34 %, et une résistance mécanique suffisante, notamment du fait d'une limite d'élasticité Rp_0,2 supérieure ou égale à typiquement 60 MPa, ainsi qu'une très bonne résistance à la corrosion filiforme.
Une telle utilisation n'a jamais été retenue dans l'automobile car l'homme de métier pensait à tort que le niveau de caractéristiques mécaniques était insuffisant. La demanderesse a découvert que, au contraire, cette combinaison convenait parfaitement pour des pièces dimensionnées en rigidité, ce qui est le cas de la plupart des tôles embouties de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc ».
Une telle utilisation présente l'avantage d'une excellente formabilité, notamment en emboutissage, autorisant la réalisation de pièces automobiles de géométrie complexe non réalisables avec les alliages d'aluminium couramment utilisés dans l'industrie automobile. Elle autorise également des transpositions de l'acier à l'aluminium moyennant très peu de modifications de forme des outils conçu pour le formage des aciers si ce n'est celles liées à la prise en compte de l'épaisseur plus importante de la tôle en alliage d'aluminium utilisée.
Une composition typique d'alliage pour la tôle utilisée selon l'invention est la suivante (% en poids) : Si : 0,15 - 0,50 ; Fe : 0,3 - 0,7 et mieux 0,5 - 0,7 ; Cu : 0,05 - 0,10 ; Mn : 1,0 - 1,5 et mieux 1,0 - 1,2 voire 1,1 - 1,2; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
Les plages de concentration imposées aux éléments constitutifs de ce type d'alliage s'expliquent par les raisons suivantes :

Si: la présence de silicium, à une teneur minimum de 0,15 %, accélère considérablement la cinétique de précipitation du manganèse sous forme de particules intermétalliques fines et nombreuses avec un effet très favorable sur la formabilité.

Fe : une teneur minimum de 0,3 %, et mieux 0,5 %, diminue sensiblement la solubilité du manganèse en solution solide, ce qui permet d'obtenir une sensibilité à la vitesse de déformation positive, retarde la rupture lors de la déformation après striction, et donc améliore la ductilité et la formabilité. Le fer est également nécessaire à la formation d'une forte densité de particules intermétalliques garantissant une bonne « écrouissabilité » au cours de la mise en forme.
Au-delà d'une teneur de 0,7 %, trop de particules intermétalliques sont créées avec un effet néfaste sur la ductilité et la résistance à la corrosion filiforme.
Cu : à une teneur minimum de 0,05 %, sa présence en solution solide permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques plus élevées sans dégradation sensible de la formabilité.
Au-delà de 0,1%, la sensibilité à la vitesse de déformation et donc la formabilité sont sensiblement dégradées. De plus le cuivre a une influence négative sur la résistance à la corrosion.
Mn : une teneur minimum de 1,0 % est nécessaire pour obtenir le niveau de caractéristiques mécaniques requis et former suffisamment de précipités fournissant une bonne « écrouissabilité ».
Au-delà de 1,5 %, une trop forte quantité est présente en solution solide, ce qui n'est pas favorable à la formabilité.
La fourchette de teneur la plus avantageuse est de 1,0 à 1,2 voire 1,1 à 1,2 %.
Mg : sa teneur est limitée à celle d'une impureté (moins de 0,05 %). Une addition de magnésium pourrait accroître les caractéristiques mécaniques par effet de solution solide mais ferait très fortement décroitre la sensibilité à la vitesse de déformation et donc la ductilité.
Zn : de la même façon, sa teneur est limitée à celle d'une impureté (moins de 0,05 % voire 0,01%) car, tout comme le magnésium, en restant en solution solide, il ferait également décroitre la sensibilité à la vitesse de déformation et donc la formabilité. Les limitations sont identiques pour ce qui est du chrome.
La fabrication des tôles pour utilisation selon l'invention comporte principalement la coulée, typiquement semi continue verticale des plaques suivie de leur scalpage.
Les plaques subissent ensuite une homogénéisation à une température d'au moins 600°C pendant au moins 5 heures, de préférence au moins 6 heures, suivie d'un refroidissement contrôlé jusqu'à la température de 550 à 450°C, typiquement 490°C, en au moins 7 heures, de préférence au moins 9 heures, puis d'un refroidissement jusqu'à température ambiante en au moins 24 heures avec, avantageusement, un refroidissement lent contrôlé jusqu'à sensiblement 150°C en au moins 15 heures, de préférence au moins 16 heures. Ce type d'homogénéisation du type à bi palier, à refroidissement contrôlé, permet d' « expulser » le manganèse de la solution solide par précipitation avec pour effet l'obtention d'une bonne formabilité grâce à :

Une sensibilité à la vitesse de déformation élevée (du fait de la faible teneur en solutés dans la solution solide),
Une bonne « écrouissabilité » liée à la présence des particules intermétalliques à base de fer et manganèse Fe + Mn fines et nombreuses,
Une taille finale de grains faible, liée à l'absence de précipitation de manganèse concomitante avec la recristallisation lors du recuit final, le tout conduisant à une excellente ductilité.

Elles subissent ensuite un réchauffage à une température de 480 à 530°C avec une montée à température en au moins 8 h, puis le laminage à chaud, le refroidissement puis le laminage à froid.
Les tôles ou bobines sont alors soumises à un recuit à une température d'au moins 350°C.
La bande ou tôle pou utilisation selon l'invention est ensuite soumise à un écrouissage avec un taux de déformation permanente compris entre 1 et 10 %, et de préférence entre 1 et 5 %. Cet écrouissage peut être obtenu par exemple par un laminage à faible réduction de type « skin pass », ou par planage sous tension en traction, ou entre rouleaux. Cet écrouissage a pour effet d'accroître sensiblement la résistance mécanique, notamment la limite d'élasticité, sans incidence notable sur l'allongement à rupture ni sur la ductilité.
Enfin, un décapage chimique est mis en oeuvre. Il a pour objectif d'éliminer la zone mécaniquement perturbée issue du laminage, en surface de la tôle, et connue sous l'appellation de MDL (Mechanically Disturbed Layer) ou encore couche de Beilby.
L'épaisseur de cette couche perturbée dépend des conditions de laminage et de la réduction d'épaisseur subies par la tôle ; le décapage doit donc être adapté en fonction de ces paramètres.
Il est choisi de préférence, dans le cas présent, de façon à ce que la perte de masse de la tôle en question soit d'au moins 0,2 g/m² et par face, mieux encore 0,3 g/m² voire 0,4 g/m². Les exemples ci après montrent de très bons résultats obtenus pour une valeur de 0,5 g/m² qui peut donc constituer un minimum optimal.
Il peut être réalisé soit à partir d'une bobine sur une ligne continue de traitements de surface chimiques, par aspersion ou immersion de la bande déroulée, soit sur des flans de tôle découpés, par immersion dans des bains.
En pratique, la tôle ou bande est soumise à une série de traitements comprenant au minimum une étape de décapage et une série de rinçages. Ces derniers ont pour but d'éliminer les résidus de produits chimiques laissés en sortie du ou des bains de décapage.
Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après, qui n'ont toutefois pas de caractère limitatif.

Exemples

Préambule

Le Tableau 1 récapitule les compositions chimiques en pourcentages massiques (% en poids) des alliages utilisés lors des essais. Elles sont repérées par A, A1, A2, B sous l'appellation abrégée « Compo. » au Tableau 2.
Des plaques de fonderie de ces différents alliages ont été obtenues par coulée semi-continue verticale. Après scalpage, ces différentes plaques ont subi un traitement thermique d'homogénéisation (repère « Homo. » au Tableau 2).

Comme indiqué au Tableau 2, les plaques des cas 1 à 6 ont subi un traitement d'homogénéisation à 610°C consistant en une montée en température en 16 heures jusqu'à 600°C, un maintien de 8 heures entre 600 et 610°C puis un refroidissement contrôlé jusqu'à 490°C en 9 heures, puis jusqu'à la température ambiante en un jour environ.
Les plaques des cas 7 et 8 ont subi un traitement d'homogénéisation plus court consistant en une montée à 610°C sans maintien suivie d'un refroidissement à 530°C en 5 heures, directement suivie du laminage à chaud.
Les plaques des exemples comparatifs 9 et 10, constitués d'alliages du type AA6016 et AA5182, ont subi des homogénéisations classiques pour ces types d'alliages.
L'étape suivante de laminage à chaud a lieu d'abord sur un laminoir réversible jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 40 mm puis sur un laminoir tandem à chaud à 4 cages jusqu'à une épaisseur de 3.2 mm. Cette étape de laminage à chaud est précédée pour les cas 1 à 6 d'un réchauffage qui permet d'amener la température de la plaque de fonderie de la température ambiante jusqu'à la température de début de laminage de 500°C en 9 heures.
Cette étape de laminage à chaud est suivie d'une étape de laminage à froid qui permet d'obtenir des tôles de 1.15 mm d'épaisseur.
Pour les cas 1 à 8 et pour le cas 10, un recuit final permet ensuite une recristallisation des alliages de façon à obtenir un état O. Ce recuit a été effectué en four à passage pour les cas 1 à 4 et 6 à 8 et consistait à amener le métal jusqu'à une température de 410°C en environ 10 secondes puis à le refroidir. Pour le cas 5, le recuit de recristallisation a été effectué en four statique et consistait à amener le métal à une température de 350°C en 6 heures. Pour l'exemple comparatif 10, en alliage du type AA5182, le recuit de recristallisation a eu lieu en four à passage et consistait à amener le métal jusqu'à une température de 365°C en 30 secondes environ puis à le refroidir.
Pour l'exemple comparatif 9, en alliage du type AA6016, le laminage à froid a été également suivi d'un traitement thermique en fin de gamme mais celui-ci est différent et consiste en une mise en solution et trempe réalisées en four à passage par élévation de la température du métal jusqu'à 540°C en 30 secondes environ et trempe.
Pour les cas 2 à 6 un décapage chimique de la couche mécaniquement perturbée issue du laminage a également été effectué en bobine sur une ligne continue. La tôle a subi une série de traitements de surface comprenant, après un dégraissage alcalin et un rinçage, une étape de décapage aux acides sulfurique et fluorhydrique. Le taux d'attaque, mesuré par perte de masse sur un échantillon immergé dans le bain de décapage, était de 1.2 g/m² par face en 1 minute. Dans cet exemple, le décapage a été réalisé par aspersion sur la bande suivi d'un triple rinçage. La perte de masse à l'issue du traitement était de 0.5 g/m² par face pour les cas 2 à 5. Pour le cas 6, le décapage a été moins poussé et la perte de masse était de 0.10 g/m2.

Enfin, pour les cas 2 à 6, la tôle est passée dans une planeuse sous tension , de manière à légèrement déformer plastiquement le matériau entre 1 et 5 % environ.

Tableau 1

Composition	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti
A	0.22	0.63	0.08	1.14	0.003	0.002	0.003	0.012
A1	0.21	0.59	0.08	1.17	0.002	0.002	0.002	0.013
A2	0.20	0.57	0.08	1.14	0.0046	0.001	0.002	0.012
B	0.22	0.42	0.16	1.02	1.19	0.021	0.002	0.008
6016	1.07	0.21	0.09	0.17	0.40	0.042	0.007	0.017
5182	0.12	0.29	0.06	0.32	4.73	0.030	0.008	0.014

Pour l'ensemble des cas 1 à 10, la formabilité et la résistance à la corrosion filiforme des tôles obtenues ont été évaluées. Ces différentes caractérisations et les résultats associés sont détaillés ci après.

Essais de traction

Les essais de traction à température ambiante ont été réalisés selon la norme NF EN ISO 6892-1 avec des éprouvettes non proportionnelles, de géométrie largement utilisée pour les tôles, et correspondant au type d'éprouvette 2 du tableau B.1 de l'annexe B de ladite norme.
Ces éprouvettes possèdent notamment une largeur de 20 mm et une longueur calibrée de 120 mm.
L'allongement pour cent (A%) après rupture a été mesuré à l'aide d'un extensomètre de base 80 mm et est donc noté A₈₀ conformément à cette même norme.
Comme mentionné dans la note du paragraphe 20.3 de la norme ISO 6892-1:2009(F) (page 19), il est important de noter que « Des comparaisons d'allongement pour cent sont possibles uniquement lorsque la longueur entre repères ou la longueur de base de l'extensomètre, la forme et l'aire de la section transversale sont les mêmes ou lorsque le coefficient de proportionnalité, k, est le même. »
Notamment, il n'est pas possible de directement comparer des valeurs d'allongements pour cent A₅₀ mesurées avec une base d'extensométrie de 50 mm à des valeurs d'allongement pour cent A₈₀ mesurées avec une base d'extensométrie de 80 mm. Dans le cas particulier d'une éprouvette de même géométrie prise dans une même matière, la valeur d'allongement pour cent A₅₀ sera plus élevée que la valeur d'allongement pour cent A₈₀ et donnée par la relation : A₅₀ = Ag + (A₈₀ - Ag)*80/50 où Ag, en %, est l'extension plastique à la force maximale, aussi appelé « allongement généralisé » ou « allongement à striction ».
Les résultats de ces essais de traction en termes de limite conventionnelle d'élasticité à 0.2%, Rp_0,2, et d'allongement pour cent A₈₀, sur une longueur initiale Lo entre repères de 80 mm, sont donnés dans le Tableau 2.
On y relève clairement que les cas 2 à 5, correspondant à des tôles selon l'invention, sont les seuls à combiner des valeurs d'allongement à rupture A₈₀ supérieures ou égales à 34 % combinées à des valeurs de limite d'élasticité conventionnelle Rp_0,2 supérieures ou égales à 60 MPa.
Le cas 1, correspondant à une tôle n'ayant pas subi l'étape de planage, présente une valeur de Rp_0,2 plus faible égale à 49 MPa.
Le cas 7, correspondant à une tôle n'ayant pas subi une homogénéisation du type de celle décrite dans cette invention, présente une valeur d'allongement à rupture A₈₀ plus faible et inférieure à 34 % bien que la valeur de Rp_0,2 soit de 55 MPa seulement. Le cas 8, correspondant à une tôle de composition hors de l'invention, présente un allongement A₈₀ nettement plus réduit.
Les tôles des cas comparatifs (9 et 10), en alliages 6016-T4 et 5182-O habituellement utilisées pour les panneaux de carrosserie automobile, présentent également des valeurs A₈₀ nettement plus basses, autour de 24 %.

Mesure du taux d'expansion de trou HER (Hole Expansion Ratio)

Comme dit au chapitre « Etat de la technique », un des facteurs limitant l'aptitude à l'emboutissage profond est le phénomène de fissuration à partir des bords de tôle.
Dans cet exemple, des essais d'expansion de trou ont été réalisés sur une tôle selon l'invention en comparaison avec des tôles en alliages du type AA5182 à l'état O et AA6016 à l'état T4.
L'essai consiste à emboutir avec un poinçon à fond plat de diamètre 202 mm (voir figure 1) un flan possédant en son centre un trou circulaire de diamètre 100 mm. L'emboutissage se fait à flan bloqué. Le blocage du flan entre la matrice et le serre-flan est assuré au moyen d'un jonc de retenu et d'une pression de 13 MPa exercée par le serre flan. Le trou circulaire de 100 mm de diamètre est réalisé au centre d'un flan circulaire de 350 mm de diamètre par découpe au jet d'eau. La vitesse de déplacement du poinçon est de 40 mm/min. Le déplacement du poinçon s'arrête lorsque la force sur le poinçon chute de 100 daN/0.2 s, ce qui correspond à l'amorce d'une fissure depuis le bord du trou. L'essai est alors terminé. On caractérise la performance des matières dans ce test d'expansion de trou par ce qu'on appelle « le rapport d'expansion de trou » HER défini par HER = (Df-Di)/Di où Di est le diamètre initial du trou dans le flan (ici 100 mm) et Df est le diamètre final du trou après l'arrêt du test.
Les résultats obtenus lors de ces essais sont rassemblés au Tableau 2 dans la colonne notée HER où sont présentées les valeurs de rapport d'expansion de trou.
On notera que les cas 2 à 5, correspondant à des tôles selon l'invention, sont les seuls à combiner des valeurs de rapport d'expansion de trou HER supérieures à 50, voire 55, avec des valeurs de limite d'élasticité conventionnelle Rp_0,2 supérieures ou égales à 60 MPa.
Le cas 1, correspondant à une tôle n'ayant pas subi l'étape de planage, présente une valeur de HER supérieure à 50 mais associée à une faible valeur de Rp_0,2 de 49 MPa. Les autres cas comparatifs (7 à 10) présentent des valeurs de HER nettement inférieures à celles des tôles selon l'invention.

Mesure du LDH (Limit Dome Height).

Ces mesures de LDH (Limit Dome Height) ont été réalisées afin de caractériser la performance en emboutissage des différentes tôles de cet exemple.
Le paramètre LDH est largement utilisé pour l'évaluation de l'aptitude à l'emboutissage des tôles d'épaisseur de 0,5 à 2 mm. Il a fait l'objet de nombreuses publications, notamment celle de R. Thompson, « The LDH test to evaluate sheet metal formability - Final Report of the LDH Committee of the North American Deep Drawing Research Group », SAE conference, Detroit, 1993, SAE Paper n°930815.
Il s'agit d'un essai d'emboutissage d'un flan bloqué en périphérie par un jonc. La pression de serre-flan est contrôlée pour éviter un glissement dans le jonc. Le flan, de dimensions 120 x 160 mm, est sollicité dans un mode proche de la déformation plane. Le poinçon utilisé est hémisphérique.
La figure 2 précise les dimensions des outils utilisés pour réaliser ce test.
La lubrification entre le poinçon et la tôle est assurée par de la graisse graphitée (graisse Shell HDM2). La vitesse de descente du poinçon est de 50 mm/min. La valeur dite LDH est la valeur du déplacement du poinçon à rupture, soit la profondeur limite de l'emboutissage. Elle correspond en fait à la moyenne de trois essais, donnant un intervalle de confiance à 95 % sur la mesure de 0,2 mm.
Le tableau 2 indique les valeurs du paramètre LDH obtenues sur des éprouvettes de 120 x 160 mm découpées dans les tôles précitées et pour lesquelles la dimension de 160 mm était positionnée parallèlement à la direction de laminage.
Ces résultats mettent en évidence le fait que les tôles selon l'invention (cas 2 à 5) possèdent des valeurs de LDH élevées, supérieures ou égales à 32 mm. Ces valeurs sont similaires ou supérieures à la valeur de LDH obtenue pour une tôle en alliage 5182-O (cas 10), alliage de référence lorsqu'il s'agit de panneaux de carrosserie pour emboutissages sévères.
L'exemple comparatif (cas 1), présente également une valeur de LDH supérieure à 32 mm, mais associée à une valeur de Rp_0,2 assez faible égale à 49 MPa. Inversement le cas 6 présente une valeur de Rp_0,2 élevée, égale à 94 MPa, mais associée à une valeur de LDH inférieure à 32 mm.
Les exemples comparatifs 7 à 9, correspondant à des tôles n'ayant pas subi le traitement d'homogénéisation ou bien dont la composition chimique est hors invention, présentent des valeurs de LDH nettement inférieures à celles des tôles selon l'invention.

Evaluation de la résistance à la corrosion filiforme

La résistance à la corrosion filiforme a été évaluée et comparée à celle de tôles en alliage du type AA6016-T4 habituellement utilisé dans le domaine de la carrosserie automobile.
Pour cela, on utilise des éprouvettes revêtues d'une couche de cataphorèse. Ces éprouvettes peintes sont alors rayées, placées dans une atmosphère corrosive pour initier la corrosion, puis exposées à des conditions contrôlées de température et d'humidité favorisant la corrosion filiforme selon la norme NF EN 3665. Après une durée d'exposition de 1000 heures en enceinte climatique à 40 ± 2°C et 82 ± 3 % d'humidité, le degré de corrosion filiforme est apprécié selon la norme NF EN 3665 méthode 3.
Trois types de traitements de surface ont été réalisés avant cataphorèse :

Traitement de surface 1 : dégraissage
Traitement de surface 2 : dégraissage + phosphatation
Traitement de surface 3 : dégraissage + conversion « Oxsilan® »

Le dégraissage est réalisé par immersion pendant 10 minutes dans un bain « Almeco » d'une concentration de 18 à 40 g/l et à 65°C. Au cours de ce dégraissage l'attaque du « métal » est d'environ 0.3 g/m² soit environ 110 nm.
Le traitement de phosphatation est réalisé par immersion selon le manuel d'instruction de Chemetall « Die Phosphatierung als Vorbehandlung vor der Lackierung » (« La phosphatation comme prétraitement pour la peinture »). Au cours de cette étape l'attaque du métal est d'environ 0.9 g/m² soit environ 330 nm. Le traitement de conversion sans phosphate, par hydrolyse et condensation de polysiloxanes, ou Oxsilan®, est effectué au trempé dans un bain d'Oxsilan® MM0705A à 25 g/l avec une vitesse de retrait de 25 cm/min, ce qui correspond à un dépôt d'environ 4 mg Si / m². Au cours de cette étape le métal n'est pas attaqué.
Le produit de cataphorèse utilisé est le CathoGuard® 800 de chez BASF, laque à base époxy. L'épaisseur de la couche de cataphorèse visée est de 23 microns ; elle est obtenue par un dépôt de 2 minutes dans un bain à 30°C avec une tension de 260 V, suivi d'une cuisson de 15 minutes à 175°C.
Les résultats de résistance à la corrosion filiforme sur les éprouvettes ayant subi les différents traitements de surface, la cataphorèse, puis le test selon la norme NF EN 3665, avec une durée d'exposition de 1000 heures en enceinte, sont récapitulés au Tableau 3 ci-dessous. Ils sont également reportés dans la dernière colonne du Tableau 2.
La résistance à la corrosion filiforme est jugée bonne (indice O) s'il n'existe pas d'attaque ou bien si un début de corrosion filiforme a lieu sous forme de filaments peu nombreux et d'une longueur inférieure à 2 mm. La résistance à la corrosion filiforme est jugée insuffisante dans le cas contraire (indice X). Tableau 3

Cas Traitement Surface 1 Traitement Surface 2 Traitement Surface 3

1 X O X

2 O O O

3 O O O

4 O O O

5 O O O

6 X O X

7 X O X

8 X X X

9 (AA6016) X O X
On constate que tous les cas testés, à l'exception du cas 8, présentent une bonne résistance à la corrosion filiforme si la cataphorèse est précédée d'un dégraissage et d'une phosphatation (traitement de surface 2). La moins bonne résistance à la corrosion filiforme du cas 8, hors invention, est liée à sa plus forte teneur en cuivre,
Dans les cas des traitements de surface 1 et 3, comportant avant cataphorèse soit un dégraissage seul soit un dégraissage suivi d'un traitement de conversion chimique remplaçant la phosphatation, seuls les cas 2 à 5 selon l'invention présentent une bonne résistance à la corrosion filiforme et en tout cas meilleure notamment que celle du cas de référence en alliage du type AA6016, à l'état métallurgique T4, très couramment utilisé dans l'automobile.

Claims

Utilisation d'une tôle en alliage d'aluminium pour la fabrication d'une pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc », caractérisée en ce que ladite tôle présente une limite d'élasticité Rp_0,2 supérieure ou égale à 60 MPa et un allongement en traction uni axiale A₈₀ supérieur ou égal à 34 %.
Utilisation selon la revendication 1 caractérisée en ce que ladite tôle présente un rapport d'expansion de trou, connu de l'homme de métier sous l'appellation HER (Hole Expansion Ratio), supérieur à 50.
Utilisation selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ledit rapport d'expansion de trou est supérieur ou égal à 55.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la composition de ladite tôle est la suivante (% en poids) :
Si : 0,15 - 0,50 ; Fe : 0,3 - 0,7 ; Cu : 0,05 - 0,10 ; Mn : 1,0 - 1,5 ; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la teneur en Fe de ladite tôle est comprise entre 0,5 et 0,7 %.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la teneur en Si de ladite tôle est comprise entre 0,15 et 0,30 %.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que la teneur en Mn de ladite tôle est comprise entre 1,0 et 1,2 % et de préférence 1,1 et 1,2 %.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que, après traitement de dégraissage seul ou suivi de conversion sans phosphate par hydrolyse et condensation de polysiloxanes de ladite tôle, puis cataphorèse, les filaments formés lors du test de résistance à la corrosion filiforme selon norme NF EN3665, avec une durée de 1000 heures en enceinte, présentent une longueur inférieure à 2 mm.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 8 pour la fabrication d'une pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile caractérisée en ce que le procédé de fabrication de ladite pièce emboutie comporte les étapes suivantes : Coulée continue ou semi-continue verticale d'une plaque et scalpage de ladite plaque de composition, (% en poids) :
Si : 0,15 - 0,50 ; Fe : 0,3 - 0,7 ; Cu : 0,05 - 0,10 ; Mn : 1,0 - 1,5 ; autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.

Homogénéisation à une température d'au moins 600°C pendant au moins 5 heures, suivie d'un refroidissement contrôlé jusqu'à la température de 550 à 450°C en au moins 7 heures, puis d'un refroidissement jusqu'à température ambiante en au moins 24 heures,

Réchauffage à une température de 480 à 530°C avec une montée à température d'au moins 8 heures, laminage à chaud, refroidissement puis laminage à froid et

recuit à une température d'au moins 350°C,

Ecrouissage, typiquement par planage en traction ou entre rouleaux ou par « skin pass », avec un taux compris entre 1 et 10 %,

Décapage chimique de la couche mécaniquement perturbée connue sous l'appellation de MDL (Mechanically Disturbed Layer) ou encore couche de Beilby,

Emboutissage de ladite tôle obtenue pour obtenir la pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que le taux d'écrouissage de ladite tôle est compris entre 1 et 5 %.
Utilisation selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisée en ce que le décapage chimique de ladite tôle est réalisé, après dégraissage alcalin, en milieu acide, avec une perte de masse de ladite tôle d'au moins 0.2 g/m² et par face.
Pièce emboutie de carrosserie ou structure de caisse automobile caractérisée en ce qu'elle est obtenue par l'utilisation d'une tôle selon l'une des revendications 1 à 11.