FR2900662A1 - Materiau pour tole composite en aluminium - Google Patents

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Abstract

Tôle pour carrosserie d'automobile sous la forme d'un matériau de tôle composite en aluminium, dans lequel une tôle d'habillage est appliquée sur au moins une face d'un matériau de coeur, et dans lequel le matériau de coeur est constitué d'un alliage de la série AA6xxx, et dans lequel la tôle d'habillage est constituée d'un alliage de la série AA5xxx contenant moins de 3,6 % en poids de magnésium.

Description

B07-1530FR 1 Société dite : ALERIS ALUMINUM DUFFEL BVBA Matériau pour tôle
composite en aluminium
Invention de : DE SMET Peter DE HAAS Marc-Jan Priorité d'une demande de brevet Européenne déposée le 2 Mai 2006 sous le n 06 009 012. 3 MATERIAU POUR TâLE COMPOSITE EN ALUMINIUM L'invention est relative à une tôle pour carrosserie d'automobile sous la forme d'un matériau en tôle composite d'aluminium dans lequel une tôle plaquée est 5 appliquée sur au moins une face d'un matériau de coeur.
Les matériaux composites, au sens large du terme, sont connus dans la technique antérieure, par exemple d'après la demande internationale WO-01/02 165. Dans un tel matériau composite, le matériau de coeur (qui représente de loin le 10 constituant le plus grand du matériau composite) détermine principalement les propriétés mécaniques du matériau composite dans la masse, comme par exemple la résistance mécanique de celui-ci. Cependant, la tôle d'habillage (qui, par conséquent, ne représente qu'une petite partie du matériau composite et aura donc une importance secondaire pour les propriétés mécaniques de celui-ci) se trouve au contact de 15 l'environnement entourant le matériau composite et déterminera donc l'activité chimique, par exemple dans une très large mesure les performances de résistance à la corrosion du matériau composite. On peut citer comme exemples de matériaux composites en aluminium selon la technique antérieure, pour commencer, une tôle à brasage ayant 20 ordinairement comme matériau de coeur un alliage d'aluminium de la série AA3xxx (par exemple AA3003) et comme tôle d'habillage, sur une seule face ou sur les deux faces de celui-ci, un alliage d'aluminium de la série AA4xxx (par exemple, AA4045 ou AA4343), et également des tôles destinées à l'aéronautique (matériau de coeur constitué par un alliage d'aluminium de la série AA2xxx et tôle d'habillage constituée 25 ordinairement par un alliage d'aluminium de la série AA1000), notamment Alclad 2024-1230. Il est courant que de tels matériaux composites selon la technique antérieure soient élaborés pour un usage spécifique et pour satisfaire des exigences spécifiques. Le brevet des EUA n US-6 329 075-B1 décrit une tôle composite en alliage 30 d'aluminium ayant un matériau de coeur d'une grande résistance mécanique et une ou plusieurs couches d'habillage à conductivité électrique plus grande que celle du matériau de coeur afin d'améliorer les performances lors d'application dans des échangeurs de chaleur. Le matériau de coeur est en alliage choisi dans le groupe composé des alliages d'aluminium des séries AA3000, AA6000 et AA8000, et 35 l'alliage de coeur ayant une conductivité électrique I.A.C.S. inférieure à 50 %, et l'habillage est choisi dans le groupe d'alliages d'aluminium des séries AA1000 et AA7000 tout en ayant une conductivité électrique I.A.C.S. supérieure à 50 %. Le matériau composite est destiné au brasage et peut se présenter sous n'importe quelle forme, par exemple des ailettes ondulées, des tubulures, des colonnes ou n'importe quelle autre forme se prêtant à un brasage. La demande internationale WO-98/24 571 décrit un produit composite métallique multicouche obtenu par coulée composée en continu. Le produit comprend une âme, de préférence en alliage d'aluminium, sur au moins une face de l'âme une couche intermédiaire fixée à l'âme et un habillage fixé à la couche intermédiaire. En fonction de l'application du produit, l'habillage formant la surface extérieure du produit composite peut être un alliage de brasage en aluminium destiné à servir dans de la tôle à brasage, un alliage de la série AAlxxx afin d'obtenir une surface à poli miroir, ou un alliage d'aluminium contenant du zinc ou un alliage de zinc afin d'améliorer la résistance à la corrosion.
Comme on le comprendra ci-après, sauf indication contraire, toutes les appellations d'alliages d'aluminium concernent des appellations de l'Aluminum Association figurant dans les Aluminium Standards and Data et dans les Registration Records, publiés en 2006 par l'Aluminum Association. Pour la présente invention, l'expression "produit en tôle" désigne un produit 20 sous une forme laminée d'une épaisseur de plus de 0,15 mm et d'un maximum de 2,5 mm avec des champs cisaillés, fendus ou sciés. Pour la présente invention, l'expression "tôle pour carrosserie d'automobile" ou "TCA" désigne une tôle en alliage d'aluminium à employer dans des carrosseries d'automobiles, en particulier des panneaux extérieurs, des panneaux intérieurs et des 25 pièces de construction. Pour toute description de compositions d'alliages ou de compositions préférées d'alliages, toutes les mentions de pourcentages concernent des pourcentages en poids, sauf indication contraire.
30 La présente invention vise à réaliser un matériau composite en aluminium perfectionné du type évoqué plus haut, destiné à servir de tôle pour carrosserie d'automobile. Cet objectif et d'autres et d'autres avantages sont atteints ou surpassés par la présente invention concernant une tôle pour carrosserie d'automobile sous la forme 35 d'un matériau de tôle composite en aluminium dans lequel une tôle d'habillage est appliquée sur au moins une face d'un matériau de coeur, et dans lequel le matériau de coeur est constitué d'une alliage de la série AA6xxx et dans lequel les tôles d'habillage sont constituées par un alliage de la série AA5xxx contenant moins de 3,6 % en poids de magnésium.
La présente invention propose une tôle pour carrosserie d'automobile sous la forme d'un matériau de tôle composite en aluminium dans lequel une tôle d'habillage est appliquée sur au moins une face d'un matériau de coeur, et dans lequel le matériau de coeur est constitué d'un alliage de la série AA6xxx, la tôle d'habillage étant constituée par un alliage de la série AA5xxx contenant moins de 3,6 % en poids de magnésium. Jusqu'à présent, les panneaux destinés à des véhicules (qu'on appellera également tôles pour carrosseries d'automobiles, ou TCA) utilisaient en fait un seul alliage d'aluminium (et correspondant donc à ce qu'on appelle des systèmes sans habillage, ou non-composites). Globalement, des alliages d'aluminium de la série AA5xxx sont utilisés pour servir dans des panneaux intérieurs tandis que les alliages d'aluminium de la série AA6xxx sont utilisés dans des panneaux extérieurs et panneaux de construction. Bien qu'en modifiant la composition chimique des alliages on puisse parvenir à un large éventail de propriétés mécaniques, concrètement toutes les possibilités ne sont pas employées. Pour des applications dans des véhicules, ces possibilités sont limitées, entre autres, du fait de restrictions imposées par les performances anticorrosion. Par exemple, une augmentation de la proportion de Mg dans des alliages d'aluminium de la série AA5xxx améliore effectivement l'aptitude au formage ainsi que la résistance mécanique, mais en même temps les performances anticorrosion (en particulier ce qu'on appelle la corrosion intergranulaire) se dégradent. De même, dans les alliages d'aluminium des séries AA2xxx et AA7xxx, une augmentation de la proportion de Cu et/ou de la proportion de Zn (qui serait avantageuse pour les performances de résistance mécanique) aurait l'inconvénient de provoquer une plus grande sensibilité à la corrosion (surtout ce qu'on appelle la corrosion filiforme) pour les surfaces peintes, ce qui a restreint l'usage de ces compositions dans des applications comme tôles de carrosserie d'automobile (panneaux intérieurs, panneaux extérieurs et construction). Bien que les spécialistes puissent vouloir accroître la proportion de Mg, de Cu et/ou de Zn dans la tôle d'aluminium afin d'améliorer les propriétés mécaniques, la dégradation des propriétés chimiques qui en résulte, et en particulier de la résistance à la corrosion, ne le permet pas. Selon la présente invention, les propriétés du matériau constituant la tôle centrale ne concordent pas avec les exigences imposées quant à la surface du matériau composite. Ainsi, le matériau de coeur peut être choisi de façon à satisfaire les exigences concernant l'interaction avec l'environnement. On a constaté qu'une combinaison d'un matériau de coeur en alliage d'aluminium de la série AA6xxx avec une tôle d'habillage en alliage d'aluminium de la série AA5xxx contenant moins de 3,6 % en poids de Mg, et constituant de ce fait le matériau de tôle composite en aluminium, peut satisfaire de telles exigences. Par ailleurs, dans les véhicules, on fixe par collage les tôles de carrosserie d'automobile, conformément à des réglementations spécifiques (cependant moins strictes que dans le cas de l'aéronautique). Bien qu'un système non composite ait nécessité un prétraitement approprié de sa surface, il apparaît que le matériau en tôle composite selon la présente invention n'a pas besoin d'acquérir une durabilité suffisante, puisque cela est déjà assuré par le choix de la couche d'habillage. Bien qu'on puisse évoquer en particulier, comme exemple d'alliage de coeur en aluminium de la série AA6xxx, l'alliage d'aluminium AA6016, d'autres alliages de coeur appropriés de la série AA6xxx sont constitués par ceux contenant au maximum 1,1 % en poids et de préférence au maximum 0,9 % en poids de Cu, et de préférence les alliages des séries AA6011, AA6013, AA6022 et AA6056. Ces alliages conviennent extrêmement bien pour l'usage prévu dans l'automobile en raison de leurs propriétés spécifiques, qui sont en elles-mêmes bien connues des spécialistes.
Le coeur est habillé d'un alliage d'aluminium de la série AA5xxx contenant moins de 3,6% en poids de Mg, entre autres pour obtenir une bonne résistance à la corrosion intergranulaire, des alliages particulièrement appropriés étant choisis parmi les alliages des séries AA5754, AA5051A ou AA5018. Le produit en tôle composite selon la présente invention peut ne comporter qu'une seule tôle d'habillage appliquée sur une seule face du matériau de coeur. Dans une autre forme de réalisation, une tôle d'habillage est appliquée sur chacune des deux faces du matériau de coeur, et ces tôles d'habillage sont faites toutes les deux d'un même alliage de la série AA5000. De la sorte, le matériau composite présente un excellent équilibre des propriétés, à savoir de la résistance mécanique et de l'aptitude au formage par rapport aux performances anticorrosion, à la résistance à l'enfoncement et à la qualité des bords sertis. Bien que les dimensions du matériau composite en aluminium puissent être diversifiées de nombreuses manières (surtout imposées par l'usage spécifique et les exigences correspondantes), s'il est destiné à servir de tôle pour carrosserie d'automobile, le matériau de coeur a une épaisseur d'environ 0,5 à 2 mm, de préférence d'environ 0,7 à 1,3 mm, et de préférence surtout d'environ 1 mm. La couche d'habillage ou les couches d'habillage sont généralement beaucoup plus minces que la tôle de coeur, chaque couche d'habillage représentant environ 1 à 25% de l'épaisseur totale de la tôle composite. Une couche d'habillage représente plus couramment environ 2 à 12% de l'épaisseur totale de la tôle composite. Selon un autre aspect, l'invention est relative à un panneau de carrosserie d'automobile et à des pièces de construction d'automobiles constitués à l'aide de la tôle pour carrosserie d'automobile sous la forme d'un matériau en tôle composite selon la présente invention. Selon un autre aspect, l'invention est relative à un procédé pour fabriquer un matériau composite en aluminium dans lequel une tôle d'habillage est appliquée sur au moins une face d'un matériau de coeur. Selon la présente invention, le matériau de coeur est constitué d'un alliage d'aluminium des séries précitées AA6xxx, la tôle d'habillage précitée étant fixée au matériau de coeur par colaminage pour assurer la liaison métallurgique requise entre la tôle de coeur et l'habillage. Ce colaminage est très économique et aboutit à un matériau en tôle composite très efficace présentant les propriétés souhaitées. Evidemment, le colaminage peut s'accompagner de plusieurs étapes de traitement supplémentaires, comme par exemple un recuit pour déterminer les propriétés définitives de la tôle pour carrosserie d'automobile sous la forme du matériau en tôle composite. Lors de l'exécution d'un tel colaminage pour fabriquer le matériau en tôle selon la présente invention, il est préférable que le matériau de coeur et la tôle d'habillage subissent une réduction d'épaisseur pendant le colaminage. Par exemple, le matériau de coeur peut être initialement un bloc d'environ 400 mm d'épaisseur avec, sur les deux faces, une tôle d'habillage d'une épaisseur initiale d'environ 24 mm. Après le colaminage, la largeur finale du matériau de coeur est d'environ 1 mm tandis que l'épaisseur finale de la couche d'habillage est, par exemple, d'environ 60 m ou d'environ 40 m.
On notera que les dimensions initiales et les dimensions finales du produit en tôle composite sont déterminées à la fois par les spécificités du colaminage et par les propriétés requises de la tôle finale à produire. Le colaminage peut être réalisé de différentes manières. Par exemple, il est 5 possible que le colaminage comporte à la fois un laminage à chaud et un laminage à froid. En outre, le colaminage peut être un processus en une seule passe ou un processus en plusieurs passes dans lequel l'épaisseur du matériau est réduite au cours de passes de laminage successives. Des passes de laminage séparées peuvent donc 10 être intercalées avec d'autres étapes de traitement, par exemple des étapes de recuit, des étapes de chauffage, des étapes de refroidissement, etc. Dans une autre forme de réalisation selon la présente invention, la tôle d'habillage précitée est fixée au matériau de coeur par une technique de coulée, par exemple décrite dans EP-1 638 715. 15 Comme expliqué plus haut, le matériau composite en aluminium selon la présente invention est destiné à servir de tôle pour carrosserie d'automobile dans des véhicules. Le choix du matériau de coeur dans la série AA6xxx aboutit à d'excellentes propriétés mécaniques dans la mesure où celles-ci sont sensiblement déterminées par la tôle de coeur, lesquelles sont au moins comparables à celles d'alliages de tôles 20 industrielles classiques utilisés pour cette application. Des essais menés sur des éprouvettes du matériau en tôle composite d'aluminium selon la présente invention ont en outre démontré qu'il n'y a pas de corrélation marquée entre l'épaisseur de la tôle d'habillage et les propriétés mécaniques, ce qui confirme donc ce qu'on a dit plus haut à propos de l'absence de lien entre les propriétés du matériau de coeur dans la 25 masse et les exigences imposées aux tôles d'habillage. On va maintenant illustrer l'invention en référence à des formes de réalisation nullement limitatives selon l'invention. Exemple 1 A une échelle industrielle, deux produits sous forme de tôle ont été 30 fabriqués et transformés en tôle de 1 mm dans l'état T4P de traitement thermique. Les deux produits formant des tôles étaient un alliage nu AA6016 et un alliage AA6016 habillé sur ses deux faces par un alliage 5051A. L'alliage AA6016 est utilisé dans des applications pour des tôles de carrosserie d'automobile. Le coeur de la tôle à habillage a le même historique thermique que la tôle nue, tous deux ayant par 35 exemple subi un traitement d'homogénéisation à 560 C pendant 10 heures. La tôle d'habillage a été réalisée à l'aide de techniques de colaminage courantes consistant à laminer à chaud le produit d'habillage jusqu'à l'obtention d'une épaisseur intermédiaire de 7,5 mm, la température de sortie du laminoir à chaud étant alors de 300 C, puis celui-ci est laminé à froid jusqu'à l'obtention d'une épaisseur finale de 1 m-n. La tôle de coeur avec une épaisseur totale de 1 mm et chaque couche d'habillage une épaisseur de 40 m. Les compositions exactes des alliages AA6016 et AA5051A sont indiquées sur le tableau 1. Tous les produits ont subi un traitement thermique de mise en solution à 506 C, puis une trempe, et dans un délai de 1 heure ils ont été réchauffés à environ 80 C avant de subir un refroidissement à la température ambiante après bobinage, puis, après 2 semaines à la température ambiante, on les a testés, dans l'état de traitement thermique dit T4P, afin de contrôler leurs performances de résistance mécanique, d'allongement total et leur qualité de bords sertis. La résistance mécanique, la résistance à la corrosion intergranulaire et la résistance à l'enfoncement ont été mesurées après une simulation de cycle de formage et de cuisson de peinture, le produit à l'état T4P étant en outre soumis à un étirement à froid de 2 % suivi d'un traitement thermique à 185 C pendant 20 minutes. La tôle nue et la tôle à habillage ont fait l'objet de tests, à l'état T4P, pour contrôler leur qualité de bords sertis par l'intermédiaire d'un test de sertissage de bord à plat (cintrage des échantillons à 180 avec un rayon de courbure de 0,0 mm, conformément à la norme ASTM E290-07A), suivi d'un examen visuel. Une note a été donnée conformément aux critères suivants : une note "5" signifie une absence de défauts visibles, "4" une légère rugosité superficielle, "3" une très forte rugosité superficielle, "2" de petites fissures dans la surface, et "1" signifie des fissures continues dans la surface, des notes intermédiaires étant en outre utilisées, par exemple 31/4, 31/2 et 33/4 La tôle nue en AA6016 et l'alliage AA6016 à habillage d'alliage 5051A ont fait l'objet d'évaluations de leurs propriétés mécaniques conformément à la norme ASTM EN10002 concernant des essais en traction. Les propriétés de traction ont été déterminées dans l'état de traitement thermique T4P précité, ainsi qu'après une simulation de cycle de formage et de cuisson de peinture. La résistance à la corrosion intergranulaire (TCI) après la simulation de cycle de formage et de cuisson de peinture a été mesurée conformément à la norme européenne ASTM G110-92, et le résultat est exprimé en profondeur de pénétration en m. De plus, la résistance statique à l'enfoncement après la simulation de cycle de formage et de cuisson de peinture a été mesurée, le produit étant monté puis chargé avec une bille d'acier d'un rayon de 63,5 mm à vitesse de 2 mm/min, de telle sorte que d'après la courbe force-déplacement, la résistance statique à l'enfoncement Fo,imm est déterminée comme étant la force (en N) nécessaire pour créer un enfoncement d'une profondeur de 0,1 mm. Les résultats des essais sont indiqués sur le Tableau 2.
Tableau 1. Composition, en pourcentage de poids, des alliages AA6016 et AA5051A, le reste étant de l'aluminium et d'inévitables impuretés. Alliage Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti AA6016 1,0 0,23 0,15 0,07 0,60 0,03 0,02 AA5051A 0,1 0,2 0,02 0,05 1,85 0,15 0,02 Tableau 2. Résultats d'essais de la tôle nue en alliage AA6016 et de la tôle d'alliage à habillage en alliage AA5051A. Propriétés et état AA6016 AA6016 avec nu habillage en AA5051A Limite élastique (MPA) dans l'état T4P 141 136 Allongement total (%) dans l'état T4P 23,8 24,3 Qualité des bords sertis dans l'état T4P 11/2 31/4 Limite élastique après 2 %+185 C/20min. 258 242 RCI ( m) après 2%+185 C/20min. 118 23 Résistance à l'enfoncement Fo,i mm (en N) 260 246 après 2%+185 C/20min. En outre, on a constaté un grand avantage en ce que la susceptibilité au cordage a été totalement supprimée à l'aide de l'habillage précité de la série 5xxx, alors qu'on sait que l'alliage nu de la série 6xxx utilisé dans des tôles pour carrosserie d'automobile est sujet à ce phénomène indésirable. Il s'agit là d'un avantage en particulier pour la tôle selon la présente invention utilisée dans des panneaux extérieurs de carrosserie automobile. D'après les résultats du tableau 2, on peut constater que bien que la résistance à l'enfoncement soit légèrement réduite dans la tôle selon la présente invention, l'aptitude au formage reste inchangée cependant que la résistance à la corrosion est très améliorée et que la qualité des bords sertis est elle aussi améliorée.
Dans le présent exemple, les alliages de coeur ont été habillés sur leurs deux faces pour des raisons pratiques de fabrication de ceux-ci, mais il apparaîtra immédiatement au spécialiste que les mêmes avantages peuvent être obtenus en utilisant une seule tôle d'habillage ou une seule couche d'habillage.
Cet exemple illustre le principe de la présente invention selon lequel la qualité des bords sertis d'un alliage de la série AA6000 convenant pour une tôle de carrosserie d'automobile peut être améliorée en munissant celui-ci d'une couche d'habillage adéquate, ce qui permet également une grande amélioration de la résistance à la corrosion tout en continuant à bénéficier des caractéristiques avantageuses de la tôle de coeur, notamment sa résistance mécanique, son aptitude au formage, la réaction à la cuisson de la peinture et la résistance à l'enfoncement. En outre, ce qui est très important, l'alliage de coeur AA6000 n'est plus sujet au cordage.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Tôle pour carrosserie d'automobile sous la forme d'un matériau de tôle composite en aluminium, caractérisée en ce qu'une tôle d'habillage est appliquée sur au moins une face d'un matériau de coeur, et en ce que le matériau de coeur est constitué d'un alliage de la série AA6xxx, et en ce que la tôle d'habillage est constituée par un alliage de la série AA5xxx contenant moins de 3,6 % en poids de magnésium.
2. Tôle selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau de coeur est un alliage de la série AA6xxx contenant en outre au maximum 1,1 % et de préférence au maximum 0,09 % de cuivre.
3. Tôle selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau de coeur est constitué d'un alliage d'aluminium choisi dans le groupe composé d'alliages des séries AA6016, AA6022, AA6056, AA6013 et AA6111.
4. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la tôle d'habillage est constituée d'un alliage d'aluminium choisi dans le groupe composé de AA5754, AA5051A et AA5018.
5. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en 20 ce que le matériau de coeur a une épaisseur de l'ordre de 0,5 à 2 mm.
6. Tôle selon la revendication 5, caractérisée en ce que le matériau de coeur a une épaisseur de l'ordre de 0,7 à 1,3 mm.
7. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau de tôle composite est constitué d'un matériau de coeur pourvu 25 d'une tôle d'habillage sur une seule face.
8. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau de tôle composite est constitué d'une tôle de coeur pourvue d'une tôle d'habillage sur ses deux faces.
9. Tôle selon la revendication 8, caractérisée en ce que le matériau de 30 tôle composite est constitué d'une tôle de coeur ayant une tôle d'habillage sur chacune de ses deux faces, et en ce que les tôles d'habillage sur les deux faces sont faites d'un même alliage de la série AA5000.
10. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la ou les deux tôles d'habillage ont une épaisseur de l'ordre de 1 à 25 % de 35 l'épaisseur totale du matériau de tôle composite.
11. Tôle selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la ou les deux tôles d'habillage ont une épaisseur de l'ordre de 2 à 12 % de l'épaisseur totale du matériau de tôle composite.
12. Panneau de carrosserie d'automobile réalisé à l'aide de la tôle pour 5 carrosserie d'automobile selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
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