FR2878255A1 - Tole en alliage d'aluminium pour automobiles, piece faconnee a partir de cette tole, et procedes de production de cette tole et de cette piece - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une tôle pour automobiles, conçue pour améliorer en cas de choc la sécurité des piétons et autres usagers de la route vulnérables. Cette tôle est faite d'un alliage à base d'aluminium qui contient, en pourcentages pondéraux, 0,80 à 1,20 % de silicium, 0,10 à 0,30 % de fer, 0,05 à 0,20 % de manganèse, 0,10 à 0,30 % de magnésium, au plus 0,30 % de cuivre et au plus 0,15 % de titane, ainsi qu'au maximum 0,15 % en tout d'autres éléments, et elle se trouve à l'état T4 de traitement thermique et présente une limite d'élasticité Rp d'au moins 50 MPa, un allongement uniforme Au d'au moins 20 % et un allongement total A80 d'au moins 22 %.L'invention concerne en outre une pièce façonnée à partir d'une telle tôle, ainsi qu'un procédé de production d'une telle tôle et un procédé de production d'une telle pièce à partir d'une telle tôle.

Description

Tôle en alliage d'aluminium pour automobiles, pièce façonnée

à partir de cette tôle, et procédés de production de cette tôle et de cette pièce La présente invention concerne une tôle en alliage d'aluminium pour la construction d'automobiles, une pièce façonnée à partir d'une telle tôle en alliage d'aluminium, et des procédés de production d'une telle tôle en alliage d'aluminium et d'une telle pièce.

Les alliages d'aluminium sont de plus en plus employés comme matériaux de pièces d'automobiles, et l'on produit, par laminage, des tôles en ces alliages dont on fait, par forgeage, des pièces telles que capots, couvercles de coffre, portières, ailes, etc. On peut remarquer que dans l'industrie de l'automobile, on tend à se servir de matériaux plus résistants, car ils permettent de construire des structures plus lé-gères et de consommer moins de matériau.

D'autre part, on prend de plus en plus en compte la sécurité des piétons et autres usagers de la route vulnérables. L'un des inconvénients de ces matériaux réside en ce que, quand une automobile faite de tels matériaux est impliquée dans une collision avec un usager de la route vulnérable tel qu'un piéton, les pièces faites de ces matériaux plus ré-sistants infligent à celui-ci de graves blessures, en raison de la limite d'élasticité élevée de ces matériaux.

L'un des buts de la présente invention est de proposer une tôle en alliage d'aluminium qui soit bien adaptée pour être employée dans la construction d'automobiles et qui soit, pour les usagers de la route qui ne sont pas à l'intérieur d'une automobile, moins dangereuse en cas de collision entre cette automobile et ces usagers.

On atteint ce but en proposant, conformément à l'invention, une tôle en alliage d'aluminium pour automobiles, conçue pour améliorer la sécurité des piétons, laquelle tôle est en un alliage dont la composi-tion chimique, exprimée en pourcentages pondéraux, est la suivante: 0,80 < Si < 1,20 0,105 Fe 50,30 0,05 5 Mn < 0,20 0,105 Mg 50,30 Cu < 0, 30 Ti < 0,15 le complément étant constitué par de l'aluminium et d'autres éléments qui sont présents chacun en une proportion d'au plus 0, 05 %, et à eux tous en une proportion d'au plus 0,15 %, et qui se trouve dans l'état T4 de traitement thermique et présente une limite d'élasticité Rp d'au moins 50 MPa, un allongement uniforme Au d'au moins 20 % et un allongement total A80 d'au moins 22 %.

On a constaté que ce matériau présente une limité d'élasticité très basse, qui fait qu'on peut très facilement façonner une tôle faite de ce matériau pour lui donner la forme qu'on veut. Les grandes valeurs de l'allongement uniforme et de l'allongement total, mesurées lors d'un essai de traction réalisé sur un échantillon de 80 mm de longueur entre repères, selon la norme EN10002, font que ce matériau se prête très bien au façonnage. Quand on soumet une tôle en alliage d'aluminium de cette invention à un cycle d'opérations de peinture et de cuisson, la limite d'élasticité du matériau augmente, du fait de la précipitation qui a lieu au cours du cycle peinture-cuisson, jusqu'à un niveau qui est un compromis entre une valeur suffisamment haute pour que la tôle soit bien adaptée pour être employée en toute sécurité dans une automobile et une valeur suffisamment basse pour qu'il y ait moins de risques, en cas de collision, pour les usagers de la route vulnérables. Les auteurs de la présente invention ont aussi constaté que la valeur de la limite d'élasticité d'une tôle en alliage d'aluminium de cette invention reste très stable pendant toute la durée de service de la pièce dans une auto- mobile.

C'est pour obtenir un matériau qui se prête bien au façonnage dans l'état T4 que l'on fixe à 0,80 % la limite inférieure de la proportion de silicium dans l'alliage. Mais il faut que cette proportion ne dé-passe pas 1,20 % pour que la limite d'élasticité soit suffisamment basse dans l'état T4 ou T4P.

On a constaté qu'une baisse de la proportion de fer a un effet bénéfique sur l'aptitude au façonnage. C'est pour obtenir des valeurs élevées de l'allongement uniforme Au et de l'allongement total A80 en traction du matériau dans l'état T4 ou T4P que l'on fixe à 0,30 % la limite supérieure de la proportion de fer dans l'alliage. Mais s'il y a trop peu de fer, la taille des grains atteint une valeur trop élevée, et c'est pourquoi l'on doit fixer à 0,10 % la limite inférieure de la proportion de fer dans l'alliage. C'est en effet quand les grains sont de taille trop grande que se produit le phénomène qu'on appelle "peau d'orange", un effet de rugosification au cours du façonnage, qui donne au produit un aspect moins plaisant.

C'est principalement pour ajuster la taille des grains au sein du matériau qu'on y ajoute du manganèse. S'il y a trop peu de manganèse, les grains sont de taille trop grande, mais s'il y en a trop, le matériau se prête moins bien au façonnage dans l'état T4 ou T4P. On a constaté qu'une proportion de 0,05 à 0,20 % de manganèse constitue un bon compromis.

Pour que la limite d'élasticité du matériau à l'état T4 ou T4P vaille au moins 50 MPa, il faut que la proportion de magnésium dans l'alliage soit suffisamment élevée. On a constaté que, quand la proportion de magnésium diminue, la limite d'élasticité et la résistance à la traction diminuent, et qu'il faut que la proportion de magnésium vaille au moins 0,10 %. Mais si l'alliage contient plus de 0,30 % de magnésium, la limite d'élasticité, après les opérations de façonnage et de pein- ture-cuisson et pendant la durée de vie dans une automobile, devient trop élevée. C'est pourquoi l'on a jugé nécessaire de fixer à 0, 30 % la limite supérieure de la proportion de magnésium dans l'alliage.

On sait qu'une petite quantité de cuivre accélère la hausse de la limite d'élasticité pendant les opérations de façonnage et de peinture-cuisson. Mais s'il y a trop de cuivre dans l'alliage, la résistance augmente de manière trop importante pendant la durée de vie du véhicule.

On a constaté d'autre part que le cuivre a un effet faiblement positif sur l'allongment uniforme et l'allongement total en traction. Par conséquent, la proportion de cuivre vaut au plus 0,30 %.

On a constaté que, pour ajuster la taille des grains au sein d'une tôle en alliage d'aluminium, il faut qu'il y ait de 0 à 0,15 % de titane, et de préférence, de 0 à 0,10 % de titane.

En outre, l'alliage de l'invention constitue un choix de matériau intéressant pour des ajustements de pièces de forme compliquée et pour la mise au point de matériaux composites, en vue de rendre les auto-mobiles moins dangereuses pour les piétons, ce qui fait baisser les coûts de production. On peut en outre, en utilisant un tel alliage de série 6000, améliorer la sécurité des piétons, notamment par comparaison avec les alliages de série 5000, tout en conservant l'aptitude au recyclage des tôles de carrosserie d'automobiles. Le concept "alliage unique" reste donc applicable dans l'industrie de la construction d'automobiles.

Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, il y a dans l'alliage au moins 0,90 % et/ou au plus 1,10 % de silicium. On a constaté que, si la proportion de silicium se situe dans cet intervalle, l'alliage présente à l'état T4 une excellente combinaison de caractéristiques, à savoir une bonne aptitude au façonnage et une faible limite d'élasticité.

Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, il y a dans l'alliage au plus 0,20 % de fer. Une tôle en alliage de ce mode de réalisation, à l'état T4, se prête particulièrement bien au façonnage.

Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, il y a dans l'alliage au moins 0,12 % et, de préférence, au plus 0,20 % de magnésium. Si l'on se place dans cet intervalle de composition, on obtient un excellent compromis entre la faible limite d'élasticité à l'état T4 et la faible limite d'élasticité après peinture et cuisson ou pendant la durée de vie du matériau dans une automobile.

Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, il y a dans l'alliage au moins 0,05 % et, de préférence, au plus 0,20 % de cuivre. Si l'on se place dans cet intervalle de composition, on obtient un excellent compromis entre l'accélération de la hausse de la limite d'élasticité pendant les opérations de peinture et cuisson et la prévention d'une trop forte augmentation de la résistance mécanique pendant la durée de vie du matériau dans une automobile.

Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, on propose une tôle en alliage d'aluminium à l'état T4 de traitement thermique, qui présente une limite d'élasticité Rp de 50 à 100 MPa. On a constaté que cet intervalle est optimal pour que le matériau se prête bien au façon-nage de pièces d'automobiles par des procédés tels que le forgeage et le pressage. Il est préférable que, à l'état T4 de traitement thermique, l'allongement uniforme Au vaille au moins 20 % et l'allongement total A80 vaille au moins 22 %, et il est encore davantage préférable que ces déformations vaillent respectivement au moins 23 % et au moins 25 %. Il est en outre préférable que, après les opérations de peinture et cuis-son indiquées plus haut, la limite d'élasticité de l'alliage en aluminium demeure inférieure à 150 MPa, et mieux encore, se situe entre 105 et 130 MPa. Il est préférable que, pendant la durée de vie du matériau dans une automobile, sa limite d'élasticité reste inférieure à 180 MPa, et mieux encore, inférieure à 160 MPa. On peut simuler l'évolution des propriétés du matériau pendant sa durée de vie en ayant recours à un test de cycle de vie, décrit en détail plus loin.

Selon un deuxième aspect de la présente invention, on propose une pièce façonnée, comme une partie de capot, en particulier une partie intérieure façonnée, en un alliage d'aluminium de l'invention, qui présente, après façonnage et peinture-cuisson, une limite d'élasticité inférieure à 150 MPa, et de préférence située dans l'intervalle allant de 105 à 130 MPa. Le recours à une telle pièce façonnée dans une auto-mobile constitue un bon compromis qui répond à la fois aux exigences concernant les propriétés mécaniques et à celles qui concernent la sécurité des usagers de la route vulnérables.

Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, on pro-pose une pièce façonnée qui présente, pendant la durée de service de la tôle, une limite d'élasticité inférieure à 180 MPa, et de préférence inférieure à 160 MPa. Cette hausse modérée de la résistance mécanique ga-rantit le maintien dudit bon compromis répondant à la fois aux exigences concernant les propriétés mécaniques et à celles qui concernent la sécurité des usagers de la route vulnérables.

Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, on propose une pièce façonnée pour automobile, comme un capot, laquelle pièce comporte une partie intérieure façonnée et une partie extérieure façonnée, et dans laquelle pièce i) les parties façonnées intérieure et extérieure sont toutes les deux faites d'une tôle en alliage du type décrit plus haut, ii) ou bien l'une de ces parties façonnées, l'intérieure ou l'extérieu- re, est faite d'une tôle en alliage du type décrit plus haut, et l'autre partie est en un alliage de série AA6000, d'une composition chimique différente de celle qui est indiquée plus haut.

Il est préférable que toutes les parties métalliques d'une telle pièce d'automobile soient faites de tôles en alliage du type décrit plus haut. D'habitude, les pièces d'automobile telles que capots ou portières comportent une partie intérieure qui participe à la résistance mécanique et à la rigidité de la pièce et une partie extérieure qui forme la structure externe de l'automobile. Traditionnellement, les parties extérieures sont en grande part en un alliage de série AA6000, tandis que les parties in- térieures sont en grande part en un alliage de série AA5000. Mais cette combinaison d'alliages pose des problèmes lors du recyclage de la pièce, à la fin de sa vie. Dans une pièce de l'invention, les deux parties, l'intérieure et l'extérieure, peuvent au contraire être en un alliage pré-sentant pratiquement la même composition dans les deux cas, ou en pratiquement le même type d'alliage. Par conséquent, la pièce d'auto-mobile se prête beaucoup mieux au recyclage, et un fabricant de pièces d'automobile a toute latitude de ne plus se servir que d'un seul alliage (stratégie "alliage unique"), de série AA6000 dans ce cas, ce qui améliore au maximum la recyclabilité des pièces qu'il fabrique.

Selon un troisième aspect de l'invention, on propose un procédé de production d'une tôle en alliage d'aluminium, lequel procédé comporte les étapes suivantes: coulée d'un alliage d'aluminium de composition indiquée plus haut, homogénéisation et/ou préchauffage, laminage à chaud, laminage à froid, jusqu'à une épaisseur intermédiaire, suivi, en option, d'un recuit intermédiaire, laminage à froid, jusqu'à l'épaisseur finale, traitement thermique de mise en solution par recuit continu, et trempe par air forcé, ce qui donne une tôle en alliage d'aluminium à l'état T4.

En suivant ce procédé, on obtient une tôle en alliage d'aluminium qui représente un bon compromis répondant à la fois aux exigen- ces concernant les propriétés mécaniques et à celles qui concernent la sécurité des usagers de la route vulnérables.

Dans un mode particulier de réalisation de l'invention, la tôle, à l'issue de la trempe, subit un traitement de pré-cuisson dans lequel on la réchauffe et on l'enroule à chaud, puis on la fait refroidir dans une atmosphère à température ambiante, pour en faire une tôle à l'état T4P, et l'on obtient ainsi un matériau qui est plus stable vis-à-vis des effets d'un stockage à température ambiante pendant un certain temps, avant les opérations de façonnage et de peinture-cuisson.

Dans un autre mode particulier de réalisation de l'invention, on propose un procédé du type décrit plus haut, auquel fait suite un pro-cédé de fabrication comportant les étapes suivantes: façonnage d'une pièce, par exemple par forgeage et/ou pressage d'une tôle dans le but d'en faire une pièce, revêtement de la pièce, et cuisson de la pièce revêtue.

L'opération de revêtement peut consister à revêtir la pièce d'une couche de peinture, mais elle peut aussi impliquer qu'on revête la pièce avec un système complexe comprenant des couches de fond, peinture et vernis.

Un alliage d'aluminium de la composition indiquée présente, à l'état T4, une limite d'élasticité relativement basse et une bonne aptitude au façonnage. Il est avantageux qu'il présente, à l'état T4, une limite d'élasticité Rp de 50 à 100 MPa, ainsi qu'un allongement uniforme Au d'au moins 20 % et un allongement total A80 d'au moins 22 %, et il est préférable que ces allongements vaillent respectivement au moins 23 % et au moins 25 %. Il est en outre avantageux de maîtriser la hausse de la limite d'élasticité au cours des opérations de façonnage et de peinturecuisson, après lesquelles la limite d'élasticité demeure inférieure à 150 MPa et se situe de préférence entre 105 et 130 MPa. On a encore l'avantage de maîtriser aussi la hausse ultérieure de la limite d'élasticité pendant la vie d'un véhicule automobile (simulée par un maintien à 90 C durant 500 h), de sorte que cette limite d'élasticité reste inférieure à 180 MPa, et de préférence, inférieure à 160 MPa.

Il est à noter que, dans ce qui précède comme dans ce qui suit, on entend par "état T4" un état de traitement thermique T4 ou T4P.

Il est à noter que, dans ce qui précède comme dans ce qui suit, on englobe dans le terme "automobile" les voitures de luxe, fourgons de transport, camions et tous autres véhicules qui peuvent circuler sur les mêmes voies que des usagers de la route vulnérables.

Exemples

On va maintenant illustrer l'invention, au moyen des exemples nonlimitatifs donnés dans le tableau 1.

Tableau 1

Compositions d'alliages de l'invention et d'un alliage de référence Alliage Si (%) Mn (%) Fe (%) Cu (%) Mg (%) Ti (%) 1 1,05 0,13 0, 14 0,15 0,12 0,03 2 1,01 0,10 0,14 < 0,01 0,18 0,03 3 1,06 0,07 0,14 0, 15 0, 20 0,03 4 (réf.) 1,05 0,13 0,14 < 0,01 0,04 0,03 1,00 0,10 0,23 0, 07 0,14 0,03 On donne dans le tableau 2 les propriétés mécaniques de tôles en ces alliages, produites par un procédé comportant les étapes suivantes: coulée, homogénéisation/préchauffage à 560 C pendant 5 heures, laminage à chaud jusqu'à une épaisseur de 4 mm, laminage à froid jus- qu'à une épaisseur de 1 mm, traitement thermique de mise en solution par recuit continu, par chauffage pendant 10 secondes à la vitesse de 11 C/s jusqu'à 540 C, et trempe à la vitesse de 25 C/s, par air forcé. Après cela, on dit que l'alliage se trouve à l'état T4. Une pré-cuisson optionnelle au cours de laquelle la tôle d'alliage est réchauffée et rou- lée à chaud peut compléter le cycle d'opérations. On dit alors que l'alliage se trouve à l'état T4P. L'alliage 5 a subi un traitement thermique de mise en solution à 560 C (5a) ou 540 C (5b).

Tableau 2

Propriétés mécaniques à l'état T4, après peinture-cuisson (PC) et pendant la durée de service (S) Alliage Rp T4 Rm* T4 Au T4 A80 T4 Rp PC Rp S (Mpa) (MPa) (%) (%) (MPa) (MPa) 1 54 160 25 28 107 143 2 67 171 24 25 115 169 3 69 181 26 28 127 179 4 (réf.) 36 126 23 26 81 88 5a 63 153 23 25 116 144 5b 62 12 25 28 116 141 * Rm: résistance à la rupture en traction Les alliages de l'invention présentent, dans l'état T4 ou T4P, une limite d'élasticité de 50 à 100 MPa, associée à une bonne aptitude au façonnage. En outre, après façonnage et peinture-cuisson, la limite d'élasticité reste inférieure à 150 MPa, et l'augmentation de la limite d'élasticité au cours d'une simulation de service est limitée, puisque la limite d'élasticité reste inférieure à 180 MPa.

On simule l'opération de peinture-cuisson par une déformation de 5 % et 20 minutes de traitement thermique à 185 C, en bain d'huile. 25 On simule la durée de service par une déformation de 5 % et 20 minu- tes de traitement thermique à 185 C, en bain d'huile, puis 500 heures de séjour à 90 C dans un four à circulation d'air.

Il doit être bien entendu que la présente invention ne se limite aucunement aux exemples et modes de réalisation décrits dans ce qui précède, et qu'il en existe de nombreuses variantes qui rentrent toutes dans le cadre de l'invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Tôle en alliage d'aluminium pour automobiles, conçue pour améliorer la sécurité des piétons, caractérisée en ce qu'elle est en un alliage dont la composition chimique, exprimée en pourcentages pondéraux, est la suivante: 0,80 < Si < 1,20 0,10 < Fe 0,30 0,05 Mn < 0, 20 0, 10 Mg 0,30 Cu 0,30 Ti 0,15 le complément étant constitué par de l'aluminium et d'autres éléments qui sont présents chacun en une proportion d'au plus 0,05 %, et à eux tous en une proportion d'au plus 0, 15 %, et en ce qu'elle se trouve dans l'état T4 de traitement thermique et présente une limite d'élasticité Rp d'au moins 50 MPa, un allongement uniforme Au d'au moins 20 % et un allongement total A80 d'au moins 22 %.

2. Tôle en alliage d'aluminium, conforme à la revendication 1, 20 caractérisée en ce que l'alliage contient du silicium en une proportion d'au moins 0,90 %, et de préférence, d'au plus 1,10 %.

3. Tôle en alliage d'aluminium, conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'alliage contient du fer en une proportion inférieure ou égale à 0,20 %.

4. Tôle en alliage d'aluminium, conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'alliage contient du magnésium en une proportion d'au moins 0,12 %, et de préférence, d'au plus 0,20 %.

5. Tôle en alliage d'aluminium, conforme à l'une des revendi-30 cations précédentes, caractérisée en ce que l'alliage contient du cuivre en une proportion d'au moins 0,05 %, et de préférence, d'au plus 0,20 %.

6. Tôle en alliage d'aluminium, conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle se trouve dans l'état T4 de traitement thermique et présente une limite d'élasticité Rp de 50 à 100 MPa.

7. Pièce façonnée, telle une partie de capot, en particulier une partie intérieure façonnée, caractérisée en ce qu'on l'a produite à partir d'une tôle en alliage d'aluminium conforme à l'une des revendications précédentes, et en ce qu'elle présente, après façonnage et peinturecuisson, une limite d'élasticité inférieure à 150 MPa, et de préférence située dans l'intervalle allant de 105 à 130 MPa.

8. Pièce façonnée, conforme à la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle présente, pendant sa durée de vie ou de service, une limite d'élasticité inférieure à 180 MPa, et de préférence inférieure à 160 MPa.

9. Pièce façonnée d'automobile, tel un capot, comportant une partie intérieure façonnée et une partie extérieure façonnée, caractérisée en ce que: i) chacune des parties façonnées intérieure et extérieure est produite à partir d'une tôle en alliage d'aluminium conforme à l'une des revendications 1 à 6, ii) ou bien l'une de ces parties façonnées, l'intérieure ou l'extérieure, est produite à partir d'une tôle en alliage d'aluminium conforme à l'une des revendications 1 à 6, et l'autre partie est en un alliage de série AA-6000, d'une composition chimique différente de celle de l'alliage d'une tôle conforme à l'une des revendications 1 à 6, ceci pour que la pièce façonnée d'automobile soit mieux recyclable.

10. Procédé de production d'une tôle en alliage d'aluminium conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: coulée d'un alliage d'aluminium de composition indiquée dans l'une

des revendications 1 à 6,

- homogénéisation et/ou préchauffage, - laminage à chaud, laminage à froid, jusqu'à une épaisseur intermédiaire, suivi, en option, d'un recuit intermédiaire, laminage à froid, jusqu'à l'épaisseur finale, traitement thermique de mise en solution par recuit continu, et trempe, de préférence par air forcé, ce qui donne une tôle en alliage d'aluminium à l'état T4.

11. Procédé de production d'une tôle en alliage d'aluminium, conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que, après la trempe, on soumet la tôle à un traitement de pré-cuisson dans lequel on la ré-chauffe et on l'enroule à chaud, pour en faire une tôle à l'état T4P.

12. Procédé conforme à la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il est suivi d'un procédé de fabrication comportant les étapes suivantes: façonnage d'une pièce, par exemple par forgeage et/ou pressage d'une tôle dans le but d'en faire une pièce, revêtement de la pièce, et cuisson de la pièce revêtue.