FR2503738A1 - PROCESS FOR MANUFACTURING SHEETS OF HYPOEUTECTIC ALUMINUM IRON ALLOYS - Google Patents
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Abstract
Description
-1 --1 -
PROCEDE DE FABRICATION DE FEUILLES EN ALLIAOES DALUMINIMS-FER PROCESS FOR PRODUCING DALUMINIMS-IRON ALLIAOES SHEETS
HYPOEUTECTIQUEShypoeutectic
La présente invention concerne un procédé de fabrication de feuilles en alliagesd'aluminium-fer hypoeutectique, destinéoe plus particulière- ment à la réalisation de plats légers, tuyaux flexibles, bouchons et The present invention relates to a process for producing sheets of hypoeutectic aluminum-iron alloys, intended more particularly for the production of light dishes, flexible tubes, stoppers and
à toutes les applications exigeant de ladite feuille des caractéristi- all applications requiring the said sheet of
ques mécaniques qui favorisent l'emboutissage, le pliage et la rigi- mechanical processes that promote stamping, bending and rigidity
dité.ity.
On entend ici par alliages aluminium-fer hypoeutectiques,ceux qui con- Here we mean by hypoeutectic aluminum-iron alloys, those which
tiennent moins de 1,7 % de fer.hold less than 1.7% iron.
De tels alliages sont connus notamment par le brevet français FR no 1 438 096 qui protège un produit convenant à la production de feuilles métalliques d'épaisseur inférieure à 76 am, caractérisé en ce qu'il contient de 0,6 à 1,2 % de fer, le reste étant de l'aluminium. Une telle feuille est obtenue par coulée semi-continue classique suivie Such alloys are known in particular from French Patent No. 1,438,096, which protects a product suitable for the production of metal sheets with a thickness of less than 76 am, characterized in that it contains from 0.6 to 1.2% of iron, the rest being aluminum. Such a sheet is obtained by conventional semi-continuous casting followed
d'un laminage à froid et présente des caractéristiques mécaniques in- cold rolling and has inherent mechanical characteristics
téressantes, à savoir une résistance de rupture à la traction de interesting, namely a tensile breaking strength of
l'ordre de 80 MPa et un allongement de 7 %. the order of 80 MPa and an elongation of 7%.
Un autre brevet français, le n 2 291 285, revendique également un procédé de fabrication de feuilles d'alliages contenant entre 1,1 et Another French patent, No. 2,291,285, also claims a process for manufacturing alloy sheets containing between 1.1 and
2;5 % de fer. Ce procédé recourt à l'utilisation de couleuses à cy- 2, 5% iron. This process uses the use of
lindres du type HUNTER, au laminage et à un recuit final. Cependant, son enseignement est plutôt axé sur des compositions voisines de 1,7 % de fer, c'est-à-dire eutectiques, lesquelles conduisent à des HUNTER type linders, rolling and final annealing. However, his teaching is rather focused on compositions close to 1.7% of iron, that is to say eutectics, which lead to
phases solides homogènes, constituées de fines particules d'intermé- homogeneous solid phases, consisting of fine particles of
talliques dispersées dans tout le matériau. metallics scattered throughout the material.
La demanderesse a orienté ses recherches vers des alliages de compo- The applicant has oriented its research towards alloys of
sition assez éloignée de l'eutectique et contenant au maximum 1,3 % quite apart from eutectic and containing at most 1.3%
de fer. L'homme de l'art sait que, dans ces conditions, la solidifi- of iron. Those skilled in the art know that, under these conditions, solidification
cation débute par l'apparition de cristaux d'aluminium dits primai- cation begins with the appearance of so-called primary aluminum crystals.
res en forme de dentrites et s'achève par un dépôt d'eutectique com- in the form of dentrites and ends with a deposition of
posé d'intermétalliques d'AlnFe qui sépare les grains les uns des -2- layer of AlnFe intermetallics separating the grains from
autres. Ceci conduit à une structure hétérogène tout à fait différen- other. This leads to a heterogeneous structure quite different
te de la structure homogène obtenue dans le cas d'une composition eu- of the homogeneous structure obtained in the case of a composition
tectique. s DaIhns le domaine de ces alliages d'aluminium-fer hypoeutectique, le tectique. s DaIhns the field of these hypoeutectic aluminum-iron alloys, the
brevet français, n 1 438 096,montre au moyen de courbes, les varia- French patent no. 1 438 096 shows, by means of curves, the variations
tions des caractéristiques mécaniques, telles que la résistance de mechanical characteristics, such as
rupture à la traction et l'allongement, en fonction du taux de réduc- tensile rupture and elongation, depending on the reduction rate
tion d'épaisseur que subit le métal au cours du laminage. Ce taux, encore appelé taux d'écrouissage, correspondant à la formule the thickness of the metal during rolling. This rate, also called hardening rate, corresponding to the formula
:-.. --1t00 dans laquelle E'représente l'épaisseur avant laininag&- : - .. --1t00 in which E'represente the thickness before laininag & -
et- e, 'l'épaisseur finale.and the final thickness.
On constate sur ces courbes que l'AlnFe hypoeutectique a une caracté- These curves show that hypoeutectic AlnFe has a characteristic
ristique d'allongement nettement meilleure que celle des alliages classiques 1100 et 5005. Cette propriété fait que, comme l'enseigne le brevet: '"l'alliage s'adapte mieux aux opérations de fabrication de This property makes it clear that, as the patent teaches, "the alloy adapts better to the manufacturing operations of the alloys of the conventional alloys 1100 and 5005.
feuilles minces et rend le produit obtenu supérieur en vue d'applica- thin sheets and makes the product obtained superior for use in
tions à l'emballage, pour lesquelles une meilleure résistance mécani- packaging, for which improved mechanical strength is
que serait inefficace si elle s'accompagnait d'une perte appréciable d'allongement". C'est, en effet, principalement la recherche d'un conpromis optimum entre ces deux caractéristiques qui guide l'hoeme de l'art dans la fabrication de feuilles destinées à l'emballage et c'est dans cette optique que la demanderesse a cherché et trouvé un moyen permettant d'améliorer ledit compromis, et de conférer ainsi au produit obtenu that would be ineffective if it were accompanied by an appreciable loss of elongation. "It is, in fact, principally the search for an optimum compromise between these two characteristics which guides the art of ho sheets for packaging and it is in this perspective that the applicant has sought and found a way to improve the compromise, and thus confer the product obtained
des qualités favorisant l'emboutissage, le pliage et la rigidité. qualities favoring stamping, folding and stiffness.
Ce moyen consiste en un procédé visant à développer dans la feuille This means consists of a process to develop in the sheet
métallique une structure finale dite "semi recristallisée". metallic a final structure called "semi recrystallized".
On sait, en effet, que, lors du laminage à froid notamment, le métal durcit ou mieux s'écrouit, c'est-à-dire qu'il perd progressivement It is known, in fact, that during cold rolling, in particular, the metal hardens or better cures, that is to say that it gradually loses
toute capacité d'allongement plastique tout en acquérant une résis- any capacity for plastic elongation while acquiring a resistance
tance plus grande. On peut alors le chauffer à une température voi- more important. It can then be heated to a temperature close to
sine de 400 C et procéder ainsi à un recuit dit de recristallisation, -3- sine 400 C and proceed to a so-called recrystallization annealing, -3-
opération au cours de laquelle les caractéristiques mécaniques se modi- operation during which the mechanical characteristics change.
fient considérablement et s'orientent vers une diminution de la charge de rupture et une augmentation de l'allongement. Certes, on améliore ainsi notablement l'allongement, mais le plus souvent, la résistance est devenue insuffisante. C'est pourquoi, la demanderesse a pensé qu'en charchant à limiter cette significantly reduce and focus on decreasing the breaking load and increasing elongation. Admittedly, the elongation is considerably improved, but most often the resistance has become insufficient. This is why the plaintiff thought that by limiting this
recristallisation, il était possible de réaliser une structure inter- recrystallization, it was possible to create an inter-
médiaire, laquelle développerait simultanément les avantages de la bon- which would simultaneously develop the benefits of good
ne résistance de l'état écroui et de l'allongement convenable de l'état resistance of the hardened state and the proper elongation of the state
recristallisé concrétisant ainsi l'obtention du compromis recherché. recrystallised thus concretizing the achievement of the desired compromise.
Pour y parvenir, elle a mis au point un procédé dans lequel on traite le bain métallique par un affinant, on coule en semi-continu dans une To achieve this, she has developed a process in which the metal bath is treated by refining, it flows semi-continuously in a
lingotière ou en continu entre cylindres, on lamine à froid et on re- ingot mold or continuously between rolls, it is cold rolled and
cuit entre 3800C et 430'C, ce procédé étant caractérisé en ce que - baked between 3800C and 430'C, this process being characterized in that -
l'affinant est ajouté en quantité telle qu'il génère une structure de coulée dans laquelle les grains ont une dimension maximum inférieure à gm et l'espacement entre bras de dendrite est compris entre 8 et 30 lim et en ce que le laminage s'effectue suivant un'taux de réduction the refining agent is added in such a quantity that it generates a casting structure in which the grains have a maximum dimension of less than 1 μm and the spacing between the dendrite arms is between 8 and 30 μm and in that the rolling is performs according to a reduction rate
d'épaisseur compris entre 98 et 99,8 %. thickness between 98 and 99.8%.
Ainsi, le procédé selon l'invention consiste à mettre en oeuvre les étapes classiques en métallurgie, d'affinage de l'alliage à l'état liquide, de coulée, de laminage, de recuit final. On peut noter, Thus, the method according to the invention consists in implementing the conventional steps in metallurgy, refining of the alloy in the liquid state, casting, rolling, final annealing. We can note,
cependant, que le procédé s'applique de façon indifférente à un pro- however, whether the method applies indifferently to a
duit coulé en semi-continu au moyen de lingotières ou de couleuses à cylindres de type 3C, à condition que les paramètres d'affinage et d'écrouissage soient adaptés au type de coulée de manière à conduire semi-continuous casting by means of ingot molds or type 3C rolling mills, provided that the refining and work hardening parameters are adapted to the type of casting so as to lead to
à la même structure finale.to the same final structure.
Le procédé est d'abord caractérisé par l'ajout d'un affinant en quan- The process is first characterized by the addition of a refining agent
tité telle qu'elle génère une structure de coulée dans laquelle les as it generates a casting structure in which the
grains ont une dimension maximum inférieure à 100 im. grains have a maximum dimension less than 100 im.
De manière classique on obtient à la coulée des grains de dimensions -4voisines de 200 lim. Mais, l'expérience a montré qu'avec une telle grosseur, l'alliage a un comportement trop hétérogène au cours du laminage et qu'il se crée des bandes de cisaillement favorables au développement d'une recristallisation totale, ce qui va à l'encontre de l'obtention d'une structure semi-recristallisée. Cependant, la recherche d'une taille de grains trop petite n'est pas In a conventional manner, particles of about 200 μm are obtained during casting. But, experience has shown that with such a size, the alloy has a too heterogeneous behavior during rolling and that shear bands are created favorable to the development of a total recrystallization, which goes to against obtaining a semi-recrystallized structure. However, looking for a grain size that is too small is not
non plus intéressante car elle conduit à une répartition trop uni- interesting because it leads to a too
forme et régulière de l'eutectique et aboutit à un produit ne recris- form and regularity of the eutectic and results in a product that recreates
tallisant pas.not tallifying.
C'est pourquoi, on affine de manière à avoir des grains de dimensions comprises entre 10 et 50 un. Cet affinage peut être obtenu au moyen de tout agent généralement utilisé dans la métallurgie de l'aluminium et, notamment, les produits à base de bore et de titane comme, par That is why, one refines so as to have grains of sizes between 10 and 50 a. This refining can be obtained by means of any agent generally used in the metallurgy of aluminum and, in particular, boron and titanium products, such as
exemple, V'AT5B.for example, V'AT5B.
Dans le même but d'éviter cette homogénéité de structure, il est évi- With the same aim of avoiding this homogeneity of structure, it is obvious
dent, pour l'homme de l'art, d'utiliser des compositions d'alliage s'éloignant le plus possible de la zone eutectique, mais en gardant for those skilled in the art, to use alloy compositions away as much as possible from the eutectic zone, but keeping
néanmoins suffisamment de fer pour bénéficier des propriétés particu- nevertheless enough iron to benefit from the particular properties
lières de cet élément et, notamment, de son action comme agent de blocage de la recristallisation. Ainsi, une teneur comprise entre of this element and, in particular, its action as a blocking agent for recrystallization. Thus, a content between
1,1 et 1,3 % de fer est préférée. 1.1 and 1.3% iron is preferred.
Toujours avec le même souci de recherche de structure hétérogène, on évite de couler l'alliage dans une machine à cylindres du type HUNTER car la vitesse de solidification est trop grande et conduit à des dendrites trop fines inférieures à 5 pm. Par contre, la machine 3C s'avère particulièrement intéressante dans le procédé de l'invention car elle donne lieu à la formation de dendrites encore suffisamment grosses pour qu'on puisse distinguer nettement sur la structure les Still with the same concern for heterogeneous structure search, it is avoided to cast the alloy in a cylinder machine type HUNTER because the rate of solidification is too great and leads to dendrites too fine less than 5 pm. On the other hand, the machine 3C proves to be particularly interesting in the process of the invention since it gives rise to the formation of dendrites still sufficiently large so that we can clearly distinguish on the structure the
zones avec et sans eutectique.areas with and without eutectic.
Le procédé est également caractérisé en ce que le laminage à froid, appliqué directement sur la structure de coulée, s'effectue suivant The method is also characterized in that the cold rolling applied directly to the casting structure is carried out according to
un taux de réduction d'épaisseur compris entre 98 et 99,8 %. a thickness reduction ratio of between 98 and 99.8%.
-5- On entend,évidenment,par laminage à froid, un laminage effectué à une It is obvious, by cold rolling, a rolling done at a
température inférieure à la température de recristallisation. temperature below the recrystallization temperature.
Ce choix résulte du fait que, lorsque ce taux est trop faible, de s l'ordre de 96 % par exemple, l'écrouissage est insuffisant et, par suite, le métal recristallisera facilement et complètement au cours du recuit. Au contraire, si l'écrouissage est trop élevé, des branches de dendrites sont devenues tellement fines que la recristallisation ne This choice results from the fact that, when this level is too low, of s of the order of 96% for example, hardening is insufficient and, consequently, the metal will recrystallize easily and completely during the annealing. On the contrary, if the work hardening is too high, branches of dendrites have become so fine that recrystallization
peut pas se produire et la structure n'évolue que par restauration. can not occur and the structure evolves only by restoration.
Entre ces deux taux d'écrouissages, un nombre limité de régions peu- Between these two rates of hardening, a limited number of regions can
vent recristalliser et former des grains recristallisés isolés dans une matière restaurée et ces grains ne peuvent pas se développer et recrystallize and form isolated recrystallized grains in a restored material and these grains can not grow and
envahir toute la structure en raison de la présence des particules eu- invade the entire structure due to the presence of the particles
tectiques. Ces taux ont été choisis de manière à former par la suite tectiques. These rates were chosen so as to subsequently form
une structure semi-recristallisée dans laquelle le volume recristal- a semi-recrystallized structure in which the recrystallic volume
lisé représente entre 10 et 30 % du volume total, répartition la plus is between 10% and 30% of the total volume, the most
compatible avec le but recherché.compatible with the purpose.
Enfin, le procédé comporte également un recuit entre 380 et 430 C après laminage à une vitesse demontée en température et d'une durée telle qu'on développe la structure semi-recristallisée souhaitée et qui est alors composée de grains recristallisés de diamètre inférieur Finally, the process also comprises an annealing between 380 and 430 ° C. after rolling at a rate that is not temperature-proof and of a duration such that the desired semi-recrystallized structure is developed and which is then composed of recrystallized grains of smaller diameter.
à 30 pim et compris généralement entre 5 et 15 lm, isolés dans une ma- at 30 pim and usually between 5 and 15 lm, isolated in one
trice restaurée avec des sous grains de 1- à 2 pm. trice restored with sub-grains of 1- to 2 pm.
La structure semi-recristallisée ainsi obtenue semble dûe essentielle- The semi-recrystallized structure thus obtained seems to be essential
ment à une dispersion dans la distribution des distances entre les particules intermétalliques permettant à la fois la recristallisation dispersion in the distribution of distances between the intermetallic particles allowing both recrystallisation
lorsque cette distance est frande et le blocage de la recristallisa- when this distance is frande and the blocking of recrystallisa-
tion lorsque cette distance est faible. when this distance is small.
Le faible volume occupé par les grains recristallisés semble essen- The small volume occupied by the recrystallized grains seems to be
tiel car il apporte à l'alliage une amélioration de ductilité notable alors que la structure des sous grains permet de conserver encore une because it gives the alloy a significant improvement in ductility, whereas the structure of the sub grains makes it possible to conserve
limite élastique élevée.high elastic limit.
-6--6-
Cette combinaison confère à la feuille d'alliage un compromis avanta- This combination gives the alloy sheet an advantageous compromise
geux entre ses caractéristiques, particulièrement favorable à des opérations ultérieures de transformation telles que l'emboutissage between its characteristics, particularly favorable for subsequent processing operations such as stamping
par exemple.for example.
L'invention concerne également la feuille d'alliage obtenue par le The invention also relates to the alloy sheet obtained by the
procédé ayant uie épaisseur comprise entre 50 et 250 M., une composi- process having a thickness of between 50 and 250 M, a composition
tion telle que: Fe: 2,1 - 1,3 % Si < 0,7 % Mh < 0,1 t Ti < 0,1 % Cu < 0,2% caractérisée par une structure dans laquelle 10 à 30 % du volumne est such that: Fe: 2.1 - 1.3% Si <0.7% Mh <0.1 t Ti <0.1% Cu <0.2% characterized by a structure in which 10 to 30% of the volume is
à l'état recristallisé sous forme de grains supérieurs à S pm et in- in the recrystallized state in the form of grains greater than S pm and
férieurs à 30 M, et le reste est à l'état restauré de manière à obte- than 30 M, and the rest is in the restored state so as to obtain
nir un compromis avantageux entre la charge de rupture à la traction an advantageous compromise between tensile breaking load
et l'allongement, et se situant pour la première caractéristique méca- and elongation, and being for the first mechanical characteristic
nique entre 120 et 140 Pa, et pour la deuxième, au-dessus de 17 t. between 120 and 140 Pa, and for the second, above 17 t.
L'invention peut être illustrée au moyen des exemples suivants qui dormnnent les résultats de caractéristiques mécaniques obtenues avec des The invention can be illustrated by means of the following examples which show the results of mechanical characteristics obtained with
feuilles de 100 pm d'épaisseur, élaborées suivant le procédé revendi- sheets of 100 μm in thickness, prepared according to the process
qué.than.
EXEmPLE 1EXAMPLE 1
Un alliage de composition:An alloy of composition:
Fe: 1,3 % - Si: 0,3 % - Cu: 0,1 % - l 0,015 % - Fe: 1.3% - Si: 0.3% - Cu: 0.1% - l 0.015% -
Ti: 0,03 %, a été affiné au moyen d'un alliage-mère d'AT5B à raison Ti: 0.03%, was refined using a parent alloy of AT5B at a ratio of
de 3 kg par tonne d'alliage, puis coulé en continu au moyen d'une lin- of 3 kg per ton of alloy, then continuously cast with a
gotière sans fond sous forme d'une plaque dont la section a pour dimen- bottomless pitcher in the form of a plate whose section is
sions 38 x 7 cm avec une vitesse de 8 cm/minute. 38 x 7 cm with a speed of 8 cm / minute.
La structure du produit coulé était composée de grains d'aluminium primaire ayant une dimension maximum inférieure à 150 pmn séparés les The structure of the cast product was composed of primary aluminum grains having a maximum dimension of less than 150 pmn separated by
uns des autres par des zones eutectiques d'AlnFe. each other by eutectic zones of AlnFe.
La plaque a été laminée à froid suivant un taux de réduction d'épais- The plate was cold rolled at a rate of reduction of
seur de 99,8 % de manière à donner une feuille de 100 mn d'épaisseur 99.8% to give a 100-mm thick sheet
qui a été recuite à 420 C pendant 30 heures. which was annealed at 420 C for 30 hours.
-7- La structure finale de cette feuille présentait 30 % de son volume à l'état recristallisé et ses caractéristiques mécaniques étaient les suivantes: Charge de rupture.......... 120 MPa Allongement............. 20 % compromis de valeurs particulièrement favorable à l'élaboration de The final structure of this sheet had 30% of its volume in the recrystallized state and its mechanical characteristics were as follows: Breaking load .......... 120 MPa Elongation ...... ....... 20% compromise of values particularly favorable to the development of
plats obtenus par emboutissage.dishes obtained by stamping.
EXEMPLE 2EXAMPLE 2
Un alliage de compositionAn alloy of composition
Fe: 1,15 e - Si 0,3 % - Ti: 0,03 % - -Cu: 0,002 % - Fe: 1.15 e - Si 0.3% - Ti: 0.03% - -Cu: 0.002% -
Mn: 0,020 %, a été affiné au moyen d'un alliage-mère d'ATSB à raison Mn: 0.020%, was refined using a parent alloy of ATSB at a ratio
de 2 kg par tonne d'alliage, puis coulé en continu au moyen d'une ma- of 2 kg per tonne of alloy and then cast continuously by means of a
chine à cylindres refroidis du type 3C sous forme d'une tôle d'épais- chilled cylinder type 3C in the form of a sheet of thick
seur 0,8 cm avec une vitesse de 100 cm/minute. 0.8 cm with a speed of 100 cm / minute.
La structure du produit coulé comportait des grains d'aluminium pri- The structure of the cast product contained primary aluminum grains
maire de dimensions comprises entre 30 et 80 im séparés les uns des mayor of dimensions between 30 and 80 im separated any of
autres par des zones eutectiques d'AlnFe. others by eutectic zones of AlnFe.
La tôle a été laminée à froid suivant un taux de réduction d'épaisseur The sheet has been cold rolled following a thickness reduction rate
de 99 % de manière à former une feuille d'épaisseur 80 tm qui a été - 99% so as to form a sheet of thickness 80 mt which was
recuite à 400'C pendant 30 heures.annealed at 400 ° C for 30 hours.
La tôle présentait une structure finale recristallisée à 20 % et ses caractéristiques mécaniques étaient les suivantes: Charge de rupture.... 130 MPa Allongement.... 23 % The sheet had a final structure recrystallized to 20% and its mechanical characteristics were as follows: Breaking load .... 130 MPa Elongation .... 23%
caractéristiques qui ont permis d'utiliser cette feuille à la confec- characteristics that made it possible to use this sheet in
tion de plats emboutis, avec un taux de rebut pratiquement nul. stamped dishes, with a virtually zero scrap rate.
La présente invention trouve son application dans l'industrie de l'aluminium chaque fois que l'on veut obtenir des feuilles d'épaisseur comprise entre 50 et 150 lim présentant un couple de valeurs optimum en The present invention finds its application in the aluminum industry whenever it is desired to obtain sheets with a thickness of between 50 and 150 μm having a pair of optimum values in terms of
ce qui concerne la charge de rupture à la traction et d'allongement. regarding tensile breaking load and elongation.
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