PT1644545E

PT1644545E - Folhas ou bandas de uma liga de al-fe-si

Info

Publication number: PT1644545E
Application number: PT04767726T
Authority: PT
Inventors: Armelle Danielou; Jean-Marie Feppon; Bruno Chenal
Original assignee: Novelis Inc
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2004-07-19
Publication date: 2007-04-30
Also published as: EP1644545B1; EA200600276A1; DE602004005045T2; AR044882A1; NO20060508L; PL1644545T3; EP1644545A2; JP2007502360A; CN1997763A; SA04250245B1; AU2004259877A1; ZA200600425B; JP4989221B2; ES2281831T3; UA80778C2; BRPI0412775A; DE602004005045D1; CN100445405C; WO2005010222A3; ATE355392T1

Description

ΕΡ 1 644 545 /PT DESCRIÇÃO "Folhas ou bandas de uma liga de Al-Fe-Si"

Campo do invento 0 invento refere-se a folhas ou bandas delgadas, de espessura inferior a 200 pm, e de preferência a 50 pm, em liga de aluminio com ferro e com silicio, essencialmente isento de manganésio, assim como a um processo de fabrico destas folhas ou bandas. Estas bandas podem ser obtidas por moldagem semi-continua convencional ou por moldagem continua de placas, por exemplo a moldagem continua entre duas correias ("twin-belt casting") ou entre dois cilindros ("twin-roll casting").

Condições técnicas A tendência do mercado de folhas delgadas em liga de aluminio conduz a uma redução constante das espessuras utilizadas para uma aplicação dada, exigindo caracteristicas mecânicas elevadas e uma boa capacidade de tomar forma.

Utilizam-se muitas vezes, para folhas delgadas, ligas com fraco teor de manganésio, como por exemplo a liga 8111 de composição (% em peso) registada na Aluminum Association:

Si: 0,30-1,1 Fe: 0,40-1,0 Cu <0,10 Mn <0,10 A falta de manganésio permite obter mais facilmente a recristalização na têmpera final, mas a resistência à rotura Rm fica insuficiente para espessuras inferiores a 100 pm. É portanto necessário desenvolver novas ligas e/ou optimizar a sucessão de transformações para responder às exigências de mercado.

Para aumentar a resistência mecânica, é habitual juntar manganésio, como por exemplo na liga 8006, cuja composição registada na Aluminum Association é a seguinte (% em peso):

Si <0,40 Fe: 1,2-2,0 Cu <0,30 Mn: 0,30-1,0 Mg <0,10 2

ΕΡ 1 644 545 /PT A junção de manganésio resulta, com efeito, no endurecimento do material. No caso da patente U.S. 6517646 da Requerente, as caracteristicas mecânicas obtidas com uma liga de composição: Si = 0,23%, Fe = 1,26%, Cu = 0,017%, Mn = 0,37%, Mg = 0, 0032%, Ti = 0, 008%, em combinação com uma sucessão de transformações favoráveis, conduz a um valor de Rm de 103 MPa para uma espessura de 6,6 pm.

Podem igualmente ser melhoradas as caracteristicas mecânicas por junção de uma pequena quantidade de manganésio às ligas da série 8000 carregadas de ferro. O pedido de patente WO 02/64848 (Alcan International) descreve o fabrico por moldagem continua de bandas delgadas em liga Al-Fe-Si contendo de 1,2 a 1,7% Fe e de 0,35 a 0,8% Si. Obtém-se uma resistência mecânica elevada juntando à liga de 0,07 a 0,20% de manganésio. Esta junção de manganésio é considerada necessária para obter um tamanho pequeno de grãos após a têmpera final. O manganésio aparece portanto como um elemento que permite aumentar as caracteristicas mecânicas das ligas 8000. Contudo, o manganésio em solução sólida ou sob a forma de finos precipitados pode bloquear ou retardar a recristalização durante a têmpera final. É portanto necessário controlar rigorosamente a precipitação das fases contendo manganésio durante cada etapa da sucessão, o que é por vezes delicado. Todas as alterações na sucessão de transformações têm consequências não negligenciáveis sobre a eficácia da têmpera final. É portanto muito interessante desenvolver uma liga que não contenha manganésio mas que apresente, contudo, caracteristicas mecânicas elevadas. A patente U.S. 5503689 (Reynolds Metals) descreve um processo de fabrico duma banda delgada em liga contendo de 0,30 a 1,1% Si e de 0,40 a 1,0% Fe, menos de 0,25% Cu e menos de 0,1% Mn, por moldagem continua e laminagem a frio sem têmpera intermédia. Os teores preferidos de ferro e de silício situam-se entre 0,6 e 0,75%. A patente U.S. 5725695 (Reynolds Metals) descreve para o mesmo domínio de composição uma sucessão com têmpera intermédia entre 400 e 440°C (750-825°F) e têmpera final de 3

ΕΡ 1 644 545 /PT recristalização a 288°C (550°F). A relação dos teores Si/Fe é igual ou superior a 1. Nos exemplos, a resistência à rotura máxima obtida é 90 MPa (13,13 ksi), o limite de elasticidade máxima é 39,1 MPa (5,68 ksi), e o alongamento é de 11,37% para espessuras de 46 pm (0,00185’). Estas características mecânicas são ainda fracas para certas aplicações.

Para ligas obtidas por moldagem contínua, é muitas vezes necessário efectuar um tratamento térmico a alta temperatura a fim de reduzir a nocividade das segregações, reabsorvendo as aglomerações de precipitação e homogeneizando a estrutura na espessura. O efeito de uma homogeneização a 600°C é descrito para a liga 8011 (de composição: 0,71% Fe, 0,77% Si, 0,038% Cu, 0,006% Mn, 98,45% Al) obtida por moldagem entre cilindros no artigo de Y. Birol, "Centerline Segregation in a Twin-Roll Cast AA8011 Alloy", Aluminium, 74, 1998, pp. 318-321. Obtém-se uma modificação das fases precipitadas e uma redução das heterogeneidades. A redução da segregação central permite por consequência limitar a porosidade das folhas muito delgadas e melhorar a sua capacidade de ganhar forma. É interessante, por razões económicas, limitar a temperatura de tratamento térmico. Para uma liga 8111 de composição: 0,7% Fe, 0,7% Si, Mn <0,02, Zn <0,02, Cu <0,02, observa-se um inicio de transformação das fases e uma recristalização total desde 460°C, mesmo se for necessária uma têmpera a 550-580°C para se obter uma transformação mais completa (cf. M. Slamova et al., "Response of AA8006 and AA8111 Strip-Cast Rolled Alloys to High Temperature Annealing", ICAA-6, 1998). Será então de considerar uma homogeneização a baixa temperatura para as ligas sem manganésio.

Por outro lado, nas transformações sucessivas da homogeneização até fracas espessuras, é habitual introduzir uma etapa de têmpera intermédia a fim de suavizar o metal. Para as ligas de manganésio, o controlo da têmpera intermédia necessita em geral de um tratamento térmico a alta temperatura (acima de 400°C), a fim de se obter uma recristalização.

Para ligas do tipo 8000 sem manganésio, podemos considerar a realização de um tratamento térmico a uma 4

ΕΡ 1 644 545 /PT temperatura mais baixa do que para as ligas do tipo 8006. O pedido de patente WO 99/23269 (Nippon Light Metal e Alcan International) descreve um processo aplicável às ligas Al-Fe-Si contendo de 0,2 a 1% Si e de 0,3 a 1,2% Fe, com uma relação Si/Fe compreendida entre 0,4 e 1,2, na qual a têmpera intermédia é efectuada em duas etapas, a primeira entre 350 e 450°C, a segunda entre 200 e 330°C. A finalidade deste processo é reduzir os defeitos de superfície da folha. As características mecânicas não são mencionadas. O invento tem por fim obter folhas ou bandas delgadas em liga Al-Fe-Si sem adição de manganésio, apresentando uma resistência mecânica elevada, conservando uma boa capacidade de adquirir forma, com uma sucessão de fabrico industrial tão económica quanto possível.

Objecto do invento O invento tem por objecto uma folha delgada de espessura compreendida entre 6 e 200 pm, e de preferência entre 6 e 50 pm, em liga de composição (% em peso):

Si: 1,0-1,5 Fe: 1,0-1,5 Cu <0,2 Mn <0,1 outros elementos <0,05 cada e <0,15 no total, sendo o restante Al, de preferência com a condição Si/Fe ^0,95, apresentando no estado temperado uma resistência à rotura Rm >110 MPa para espessuras >9 pm, e >100 MPa para as espessuras de 6 a 9 pm. A folha delgada tem, de preferência, um limite de elasticidade R0,2 (medida sobre provetas de escorrimento transversal) >70 MPa. O alongamento à rotura é superior aos valores seguintes em função da espessura da folha:

Espessura (pm) A (%) superior a e de preferência a 6-9 3 4 9-15 5 7 15-25 10 15 25-50 18 25 50-200 20 25 5

ΕΡ 1 644 545 /PT A liga tem de preferência um teor em silício compreendido entre 1,1 e 1,3% e um teor em ferro compreendido entre 1,0 e 1,2%. O invento tem igualmente por objectivo um processo de fabrico de bandas delgadas de espessura inferior a 200 pm em liga Al-Fe-Si de composição (% em peso):

Si: 1,0-1,5 Fe: 1,0-1,5 Cu <0,2 Mn <0,1, outros elementos <0,05 cada e <0,15 no total, sendo o restante Al, de preferência com a condição Si/Fe 1 0,95, compreendendo a preparação de uma primeira banda seja por moldagem semi-contínua vertical de uma placa e laminagem a quente, seja por moldagem contínua eventualmente seguida de laminagem a quente, a laminagem a frio desta primeira banda até à espessura final com uma têmpera eventual intermédia de 2 a 20 h a uma temperatura compreendida entre 250 e 350°C, de preferência entre 280 e 340°C, e uma têmpera final a uma temperatura compreendida entre 200 e 370°C.

Descrição do invento

As folhas ou bandas delgadas segundo o invento são fabricadas a partir de ligas 8000 Al-Si-Fe praticamente isentas de manganésio, com um teor tipicamente inferior a 0,1%. Os teores em ferro e em silício são significativamente mais elevados do que os das ligas 8011 e 8111 que são as ligas Al-Si-Fe para folhas delgadas sem manganésio, as mais utilizadas correntemente. Um tipo de composição preferencial é uma liga contendo de 1,1 a 1,3% de silício e de 1,0 a 1,2% de ferro.

As ligas segundo o invento devem ter de preferência uma composição tal que a relação Si/Fe dos teores respectivos em silício e em ferro sejam h0,95. Apresentam no estado temperado (estado 0) uma resistência mecânica inabitual para ligas desta composição, com uma resistência à rotura Rm >110 MPa, por exemplo 115 MPa, para as espessuras >9 pm e >100 MPa para as espessuras de 6 a 9 pm, e um limite de elasticidade convencional a 0,2% R0,2 >70 MPa. Esta resistência mecânica elevada não é obtida à custa da capacidade de tomar forma, 6

ΕΡ 1 644 545 /PT pois, em relação às ligas 8011 ou 8111, os alongamentos são pelo menos os mesmos, e as pressões de rotura são aumentadas.

Estas propriedades mecânicas elevadas são obtidas tanto para bandas produzidas a partir de placas obtidas por moldagem semi-continua vertical convencional e laminadas a quente, como para bandas procedentes de moldagem continua, seja entre correias ("twin-belt casting"), seja entre cilindros ("twin-roll casting"). A moldagem continua entre correias é seguida igualmente por laminagem a quente.

As bandas laminadas a quente ou brutas de moldagem no caso da moldagem continua entre cilindros, são eventualmente submetidas a uma homogeneização a baixa temperatura (entre 450 e 500°C) para reduzir a segregação central que pode ser fonte de uma redução da capacidade de tomar forma até à espessura final. Este tratamento térmico a baixa temperatura é suficiente para reabsorver as segregações centrais eventuais nesta liga sem manganésio. As bandas são em seguida laminadas a frio, seja até à espessura final, seja até uma espessura intermédia compreendida entre 0,5 e 5 mm, à qual são submetidas até uma têmpera intermédia. Contrariamente às ligas que contêm manganésio, é possível efectuar esta têmpera intermédia a uma temperatura relativamente baixa, compreendida entre 250 e 350°C e, de preferência, entre 280 e 340°C, durante um tempo superior a 2 h. Um tal âmbito de temperatura, ainda que descrito na literatura, designadamente no pedido de patente WO 02/064848 mencionado mais acima, situa-se abaixo do domínio habitual que é superior a 400°C. A Requerente constatou que a aplicação a uma liga Al-Fe-Si, mais em particular de composição tal que Si/Fe h0,95, de tratamentos térmicos a baixa temperatura, com supressão eventual da têmpera intermédia quando for tecnicamente possível, conduzia a uma resistência mecânica nitidamente melhorada, de pelo menos 15% em relação à têmpera intermédia habitual. Esta resistência mecânica superior é obtida melhorando a capacidade de tomar forma medida pela pressão de rotura ou a altura de pico segundo a norma ISO 2758. A têmpera final efectua-se a uma temperatura compreendida entre 200 e 370°C para uma duração compreendida 7

ΕΡ 1 644 545 /PT entre 1 e 72 h. A duração da têmpera é condicionada pela qualidade do desengorduramento da folha. Obtém-se após têmpera final uma estrutura de grãos finos, com um tamanho médio de grão, medido por análise de imagens ao microscópio electrónico com exploração, inferior a 3 pm. A conjugação de uma homogeneização a baixa temperatura ou de uma ausência de homogeneização com uma têmpera intermédia a baixa temperatura ou totalmente suprimida, além de uma vantagem económica, revela-se favorável à obtenção de um fino tamanho de grãos. 0 tamanho dos grãos fica reduzido em cerca de 30% em comparação com tratamentos térmicos à mais alta temperatura, o que conduz a um aumento das caracteristicas mecânicas R0,2 e Rm que, para espessuras delgadas, estão ligadas ao número de articulações dos grãos. Este ganho não se faz em detrimento do alongamento, porque o aumento do número de grãos na espessura limita também o risco de dano localizado em um ou dois grãos únicos da espessura da folha.

As folhas delgadas de acordo com o invento estão particularmente adaptadas às aplicações, necessitando ao mesmo tempo de uma boa resistência mecânica e de uma capacidade elevada de tomar forma, como por exemplo o fabrico de complexos multicamadas, designadamente para os opérculos das embalagens de produtos frescos, de cápsulas para garrafas rolhadas ou de alumínio para utensílios domésticos.

Exemplos

Exemplo 1

Com o fim de mostrar a influência da composição da liga, fabricaram-se em moldagem contínua entre cilindros duas bandas com a espessura de 6,1 mm em ligas A segundo o invento e ligas B do tipo 8111, com a composição (% em peso) indicada no Quadro 1.

Quadro 1

Liga Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti B A 1,17 1,11 0, 001 0, 003 0,0004 0,0007 0,006 0,0005 B 0,7 0,7 0, 001 0, 003 0,0005 0, 001 0,007 0,0005 8

ΕΡ 1 644 545 /PT

As bandas foram laminadas a frio até à espessura de 2 mm, depois foram submetidas a uma têmpera intermédia de 5 h a 320°C. As bandas foram em seguida laminadas a frio em vários passos até à espessura final de 38 pm. Em seguida foram submetidas a uma têmpera final de 40 h a 270°C.

Mediram-se em cada caso as caracteristicas mecânicas: resistência à rotura Rm (em MPa), limite de elasticidade convencional a 0,2% R0,2 e alongamento A (em %) segundo a norma NF-EN 546-2, assim como a pressão de rotura no ar Pr (em kPa) medida segundo a norma ISO 2758 e a altura de pico Ap (em mm). Os resultados estão indicados no Quadro 2:

Quadro 2

Liga Rm (MPa) Ror2 (MPa) A (%) Pr (kPa) Ap A 123 76 30 394 9,2 B 104 54 15, 8 284 6, 6

Verifica-se que, contrariamente à liga B do tipo 8111, a resistência à rotura da banda na liga A é francamente superior a 110 MPa, e o limite de elasticidade superior a 70 MPa. Além disso, as pressões de rotura e alongamento são igualmente superiores, de forma que esta liga é ao mesmo tempo resistente e moldável.

Exemplo 2

Molda-se em moldagem continua entre cilindros, uma banda da liga A do exemplo 1, de espessura 6,1 mm. A banda foi em seguida laminada a frio até à espessura de 2 mm. Uma parte da banda foi submetida a uma têmpera intermédia habitual para uma liga deste tipo de 5 h a 500°C. A outra parte da banda sofreu uma têmpera intermédia segundo o invento de 5 h a 320°C. As duas partes da banda foram em seguida laminadas a frio em vários passos até à espessura final de 10,5 pm. Em seguida foram submetidas a uma têmpera final de 40 h a 270°C.

Avaliaram-se as mesmas propriedades que no Exemplo 1; os respectivos valores estão indicados no Quadro 3. 9

ΕΡ 1 644 545 /PT

Quadro 3

Recoz. inter. Rm (MPa) Ro,2 (MPa) A (%) Pr (kPa) Ap (mm) 470 °C 99 63 7,3 71 5,1 320 °C 117 84 co 1—1 92 5,7

Constata-se que o abaixamento da temperatura da têmpera intermédia conduz ao mesmo tempo a um aumento da resistência mecânica, do alongamento, da resistência à rotura e da capacidade de tomar forma. 0 tamanho médio do grão, medido por análise de imagens no MEB, é de 3,6 pm para a têmpera a 470°C, e de 2,3 pm para a têmpera a 320°C. 0 aumento das caracteristicas mecânicas para a têmpera a baixa temperatura está portanto ligado a uma redução do tamanho dos grãos obtida após a têmpera final.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 644 545 /PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Folha ou banda delgada, de espessura compreendida entre 6 e 200 pm, e de preferência entre 6 e 50 pm, numa liga de composição (% em peso): Si: 1,0-1,5 Fe: 1,0-1,5 Cu <0,2 Mn <0,1, outros elementos <0,05 cada e <0,15 no total, sendo o restante em Al, apresentando no estado temperado uma resistência à rotura Rm >110 MPa para espessuras >9 pm, e >100 MPa para as espessuras de 6 a 9 pm.
2. Folha ou banda delgada de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por apresentar no estado temperado uma resistência à rotura Rm>115 MPa para as espessuras >9 pm.
3. Folha ou banda delgada de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizada por apresentar no estado temperado um limite de elasticidade R0,2 >70 MPa.
4. Folha ou banda delgada de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por apresentar um alongamento à rotura A em função da espessura: Espessura (pm) A (%) superior a e de preferência a 6-9 3 4 9-15 5 7 15-25 10 15 25-50 18 25 50-200 20 25
5. Folha ou banda delgada de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por a liga ter uma composição tal que Si/Fe >0,95.
6. Folha ou banda delgada de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada por a liga ter um teor em silício compreendido entre 1,1 e 1,3% e um teor em ferro compreendido entre 1,0 e 1,2%.
7. Processo de fabrico de bandas delgadas de espessura inferior a 200 pm em liga Al-Fe-Si de composição (% em peso): ΕΡ 1 644 545 /PT 2/2 Si: 1,0-1,5 Fe: 1,0-1,5 Cu<0,2 Mn<0,l, outros elementos <0,05 cada e <0,15 no total, sendo o restante Al, compreendendo a preparação de uma primeira banda seja por moldagem semi-continua vertical de uma placa e laminagem a quente, seja por moldagem continua eventualmente seguida por uma laminagem a quente, a laminagem a frio desta primeira banda até à espessura final, eventualmente com uma têmpera intermédia a uma temperatura compreendida entre 250 e 350°C, de preferência entre 280 e 340°C, e uma têmpera final a uma temperatura compreendida entre 200 e 370°C.
8. Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a liga ter uma composição tal que Si/Fe >0,95.
9. Processo de acordo com uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado por antes da laminagem a frio, a primeira banda ser submetida a uma homogeneização a uma temperatura compreendida entre 450 e 500°C.
10. Processo de acordo com uma das reivindicações 7 ou 9, caracterizado por a banda ser preparada por moldagem continua entre cilindros. Lisboa,