WO2003069003A2 - Bandes minces en alliage aluminium-fer - Google Patents

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Jacques Gagniere
Raphaël WIETZKE
Jean-Marie Feppon
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Pechiney Rhenalu
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to thin strips, typically of thickness between 30 and 150 ⁇ m, made of an alloy of the aluminum-iron type, suitable for stamping, intended in particular for packaging, and more particularly for the manufacture of trays and thin dishes for food distribution and fast food.
  • Al-Fe alloys of the 8000 series according to the nomenclature of the Aluminum Association are widely used for the manufacture of thin sheets or bands intended for packaging. Their manufacture can be done, either conventionally by casting a plate, hot rolling, then cold rolling, with one or more intermediate anneals and most often a final annealing, or by continuous casting, for example between two rolls, and cold rolling, and optionally one or more anneals.
  • Continuous strip casting allows, for a moderate investment cost, to obtain in a fairly wide range of alloys strips which do not require subsequent hot rolling.
  • significant progress has been made by the manufacturers of casting machines to reduce the thickness of the casting strip which can in certain cases go down to around 1 mm, which consequently reduces cold rolling to carry out.
  • US Patent 5,380,379 of Alcoa Aluminio de Nordeste relates to the manufacture, by continuous casting between cylinders, of very thin sheets of alloys containing 1.35 to 1.6% of iron, of 0.3 to 0.6% of manganese , 0.1 to 0.4% copper and less than 0.2% silicon.
  • the silicon content is limited by the appearance of intermetallic phases of the AlFeSi or AIMnSi type, while the presence of copper is necessary to give the product sufficient mechanical strength.
  • Patent application WO 98/52707 to the applicant describes a process for the production of aluminum alloy strips containing (by weight) at least one of the elements Fe (from 0.15 to 1.5%) or Mn ( 0.35 to 1.9%) with Fe + Mn ⁇ 2.5%, and possibly containing Si ( ⁇ 0.8%), Mg ( ⁇ 0.2%), Cu ( ⁇ 0.2%) by continuous casting between cooled and hooped rolls between 1 and 5 mm thick, followed by cold rolling.
  • the strips obtained have both a higher yield strength than that of the strips resulting from the conventional process, and good formability.
  • the invention aims to improve the compromise between the mechanical strength, the formability and the isotropy of the mechanical properties compared to this reference alloy.
  • the subject of the invention is strips of aluminum alloy with a thickness between 30 and 150 ⁇ m, of an alloy of composition (% by weight):
  • the invention also relates to a process for manufacturing strips of alloy of this composition by continuous casting between cylinders with a strip of thickness between 2 and 10 mm, optionally the homogenization of this strip between
  • the invention also relates to the use of these strips for dishes and trays for food products.
  • the alloy used for the sheets and strips according to the invention is characterized by an iron content of between 1.5 and 1.9%, higher than that usually used for the alloy 8021B intended for the manufacture of dishes and trays .
  • the advantage of a higher iron content lies in the improvement of the mechanical resistance; this effect is even more marked when the strips are obtained by continuous casting between cylinders.
  • the iron content must remain below 1.9% to avoid getting too close to the AlFe eutectic content, and therefore to see coarse primary phases AlFe appear.
  • the other characteristic is a manganese content between 0.04 and 0.15%.
  • This addition has a favorable effect on the mechanical strength, while maintaining a high level of elongation, the compromise between these usually antagonistic properties being markedly improved when the strips are produced by continuous casting. Above 0.15% manganese, it plays its anti-recrystallizing role more clearly, which risks harming the efficiency of the final annealing, necessary for obtaining good isotropy of the mechanical characteristics.
  • the manufacture of sheets and strips according to the invention is preferably done by continuous casting of a strip of thickness between 2 and 10 mm between two cooled and hooped cylinders ("twin-roll casting").
  • the casting strip can be homogenized, especially in the case where it is desired to favor the elongation rather than the mechanical strength. This homogenization must be done at a temperature not too high, between 420 and 550 ° C, to avoid degrading the mechanical strength too much. If the elongation requirements are less restrictive, homogenization is not essential.
  • the strip is then cold rolled with the number of passes required up to the final thickness of between 30 and 150 ⁇ m.
  • This cold rolling can be done with or without intermediate annealing.
  • intermediate annealing it must be relatively short, of the order of 1 to 4 hours, and be carried out at a temperature not too high, typically between 300 and 350 ° C, to avoid a magnification of the grain.
  • a temperature not too high typically between 300 and 350 ° C
  • the laminated strip is then annealed at a temperature between 200 and 400 ° C, for a duration of at least 30 h, so as to obtain a recrystallized structure.
  • This annealing can be carried out in one or more temperature stages, for example a first stage between 200 and 300 ° C, and a second between 300 and 400 ° C.
  • the strip is then cut into sheets if necessary.
  • An improvement in the tensile strength R m and the elastic limit R 0 is thus obtained ; of the order of 5% compared to the conventional 8021B alloy, with an elongation of the same order and a smaller difference between the values of Rm and R0.2 measured in the direction of rolling (long direction) and in the perpendicular direction (cross direction).
  • alloys E and F leads to the same remarks as to the two preceding examples.
  • introduction of homogenization leads to the alloy F, compared with the alloy D of Example 2, to a slight decrease in R m and R 0j 2, and a slight improvement in the elongation .
  • the introduction into the range of homogenization and / or intermediate annealing depends on the compromise sought between mechanical strength and formability.

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Abstract

L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 30 et 150 ~im, en alliage de composition (% en poids) : Si < 0,4 Fe : 1,5 - 1,9 Mn: 0,04 - 0,15 autres éléments ; < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium. Ces bandes sont utilisées notamment pour la fabrication de barquettes et plats pour la distribution de denrées alimentaires et la restauration rapide.

Description

Bandes minces en alliage aluminium-fer
Domaine de l'invention
L'invention concerne des bandes minces, typiquement d'épaisseur comprise entre 30 et 150 μm, en alliage du type aluminium-fer, aptes à l'emboutissage, destinées notamment à l'emballage, et plus particulièrement à la fabrication de barquettes et de plats minces pour la distribution de denrées alimentaires et la restauration rapide.
Etat de la technique
Les alliages Al-Fe de la série 8000 selon la nomenclature de l'Aluminum Association sont largement utilisés pour la fabrication de feuilles ou bandes minces destinées à l'emballage. Leur fabrication peut se faire, soit de manière conventionnelle par coulée d'une plaque, laminage à chaud, puis à froid, avec un ou plusieurs recuits intermédiaires et le plus souvent un recuit final, soit par coulée continue, par exemple entre deux cylindres, et laminage à froid, et éventuellement un ou plusieurs recuits.
La coulée continue de bandes permet, pour un coût d'investissement modéré, d'obtenir dans une assez large gamme d'alliages des bandes qui ne nécessitent pas de laminage à chaud ultérieur. Ces dernières années, des progrès importants ont été faits par les fabricants de machines de coulée pour diminuer l'épaisseur de la bande coulée qui peut descendre dans certains cas jusqu'à environ 1 mm, ce qui diminue d'autant le laminage à froid à effectuer.
L'utilisation de la coulée continue, dans la mesure où les conditions de solidification sont différentes du procédé habituel, conduit à une microstructure différente. Ainsi, le brevet US 3989548 d'Alcan, publié en 1976, décrit (exemple 9) des alliages d'aluminium contenant l'un au moins des éléments Fe, Mn, Ni ou Si coulés en bandes par coulée continue entre cylindres à une épaisseur de 7 mm. La structure de la bande coulée présente des bâtonnets de composés intermétalliques fragiles de diamètre compris entre 0,1 et 1,5 μm, qu'un laminage à froid avec une réduction d'au moins 60% brise en fines particules de taille inférieure à 3 μ. Les bandes obtenues présentent un bon compromis entre la résistance mécanique et la formabilité.
Le brevet US 5380379 d'Alcoa Aluminio de Nordeste concerne la fabrication, par coulée continue entre cylindres, de feuilles très minces en alliages contenant de 1,35 à 1,6% de fer, de 0,3 à 0,6% de manganèse, de 0,1 à 0,4% de cuivre et moins de 0,2% de silicium. La teneur en silicium est limitée par l'apparition de phases intermétalliques de type AlFeSi ou AIMnSi, tandis que la présence de cuivre est nécessaire pour conférer au produit une résistance mécanique suffisante. La demande de brevet WO 98/52707 de la demanderesse décrit un procédé de fabrication de bandes en alliage d'aluminium contenant (en poids) l'un au moins des éléments Fe (de 0,15 à 1,5%) ou Mn (de 0,35 à 1,9%) avec Fe + Mn < 2,5%, et contenant éventuellement Si (< 0,8%), Mg (< 0,2%), Cu (< 0,2%) par coulée continue entre cylindres refroidis et frettés à une épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, suivie d'un laminage à froid. Les bandes obtenues présentent à la fois une limite d'élasticité supérieure à celle des bandes issues du procédé conventionnel, et une bonne formabilité.
La fabrication de barquettes et plats minces destinés à des aliments préparés requiert des bandes présentant une bonne résistance mécanique, une bonne formabilité, en particulier pour des emboutis assez profonds, et une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques, notamment pour les produits circulaires. Un alliage utilisé fréquemment pour cette application est l'alliage 8021B, dont la composition enregistrée à l' Aluminum Association est la suivante (% en poids) :
Figure imgf000003_0001
L'invention a pour but d'améliorer le compromis entre la résistance mécanique, la formabilité et l'isotropie des propriétés mécaniques par rapport à cet alliage de référence.
Objet de l'invention L'invention a pour objet des bandes en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 30 et 150 μm, en alliage de composition (% en poids) :
Si < 0,4 Fe : 1,5 - 1,9 Mn : 0,04 - 0,15 autres éléments ; < 0,05 chacun et
0,15 au total, reste aluminium. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de bandes en alliage de cette composition par coulée continue entre cylindres d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, éventuellement l'homogénéisation de cette bande entre
420 et 550°C, le laminage à froid de cette bande jusqu'à l'épaisseur finale avec éventuellement un recuit intermédiaire de 1 à 4 h entre 300 et 350°C, et un recuit final à une température comprise entre 200 et 430°C d'une durée d'au moins 30 h.
L'invention a aussi pour objet l'utilisation de ces bandes pour des plats et barquettes pour produits alimentaires.
Description de l'invention
L'alliage utilisé pour les tôles et bandes selon l'invention se caractérise par une teneur en fer comprise entre 1,5 et 1,9%, plus élevée que celle utilisée habituellement pour l'alliage 8021B destiné à la fabrication des plats et barquettes. L'avantage d'une teneur plus élevée en fer réside dans l'amélioration de la résistance mécanique ; cet effet est encore plus marqué lorsque les bandes sont obtenues par coulée continue entre cylindres. Le teneur en fer doit rester inférieure à 1,9% pour éviter de s'approcher trop près de la teneur eutectique AlFe, et donc de voir apparaître des phases primaires grossières AlFe. L'autre caractéristique est une teneur en manganèse se situant entre 0,04 et 0,15%. Cette addition a un effet favorable sur la résistance mécanique, tout en maintenant un niveau élevé d'allongement, le compromis entre ces propriétés habituellement antagonistes étant nettement amélioré lorsqu'on produit les bandes par coulée continue. Au delà de 0,15% de manganèse, celui-ci joue plus nettement son rôle anti- recristallisant, ce qui risque de nuire à l'efficacité du recuit final, nécessaire pour l'obtention d'une bonne isotropie des caractéristiques mécaniques.
La fabrication des tôles et bandes selon l'invention se fait de préférence par coulée continue d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm entre deux cylindres refroidis et frettés (« twin-roll casting »). La bande coulée peut être homogénéisée, notamment dans le cas où on souhaite favoriser l'allongement plutôt que la résistance mécanique. Cette homogénéisation doit se faire à une température pas trop élevée, entre 420 et 550°C, pour éviter de trop dégrader la résistance mécanique. Si les exigences en matière d'allongement sont moins contraignantes, l'homogénéisation n'est pas indispensable.
La bande est ensuite laminée à froid avec le nombre de passes nécessaires jusqu'à l'épaisseur finale comprise entre 30 et 150 μm. Ce laminage à froid peut se faire avec ou sans recuit intermédiaire. Lorsque le recuit intermédiaire est nécessaire, il doit être relativement court, de l'ordre de 1 à 4 h, et se faire à une température pas trop élevée, typiquement entre 300 et 350°C, pour éviter un grossissement du grain. Mais il est possible, lorsqu'on ne recherche pas des valeurs très élevées pour l'allongement, d'éviter à la fois l'homogénéisation et le recuit intermédiaire, ce qui rend la gamme de fabrication particulièrement simple. La bande laminée est ensuite recuite à une température comprise entre 200 et 400°C, d'une durée d'au moins 30 h, de manière à obtenir une structure recristallisée. Ce recuit peut s'effectuer en un ou plusieurs paliers de température, par exemple un premier palier entre 200 et 300°C, et un second entre 300 et 400°C. On découpe ensuite la bande en tôles si nécessaire. On obtient ainsi une amélioration de la résistance à la rupture Rm et de la limite d'élasticité R0; de l'ordre de 5% par rapport à l'alliage 8021B classique, avec un allongement du même ordre et un écart plus faible entre les valeurs de Rm et de R0,2 mesurées dans le sens du laminage (sens long) et dans le sens perpendiculaire (sens travers). Ces propriétés sont particulièrement adaptées à la fabrication des plats et barquettes.
Exemples
Exemple 1
Sur une machine de coulée 3C® de la société Pechiney Rhenalu, on a coulé des bandes d'épaisseur 7 mm en deux alliages A (8021B classique) et B selon l'invention, dont les compositions sont indiquées au tableau 1 : Tableau 1
Figure imgf000006_0001
Ces bandes ont été laminées à froid sans recuit intermédiaire jusqu'à l'épaisseur finale de 58 μm en 9 passes avec arrêts successifs à 4,7 mm, 2,7 mm, 1,5 mm, 0,9 mm, 0,6 mm, 0,41 mm, 0,21 mm, 0,12 mm et 0,08 mm. Elles ont ensuite subi un recuit de 20 h à 260°C, puis 65 h à 340°C.
On a ensuite mesuré sur les 2 bandes la résistance à la rupture Rm (en MPa), la limite d'élasticité R0;2 (en MPa) et l'allongement à la rupture A (en %), dans le sens long et dans le sens travers. Les résultats sont indiqués au tableau 2 :
Tableau 2
Figure imgf000006_0002
On constate que Rm et R0;2 sont plus élevés pour B, que les allongements sont aussi bons et que la différence entre les résultats sens L et sens T sont réduites.
Exemple 2
On a coulé deux bobines en alliages C de type 8021B et D selon l'invention, dont la composition est indiquée au tableau 3 :
Tableau 3
Figure imgf000006_0003
La gamme de transformation est identique à celle de l'exemple 1, à ceci près que l'on a ajouté un recuit intermédiaire de 2 h à 340°C à l'épaisseur 0,6 mm. Les caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au tableau 4 :
Figure imgf000007_0001
La comparaison des résultats entre les alliages C et D conduit aux mêmes remarques qu'à l'exemple précédent. De plus, on constate que, bien que l'alliage D soit un peu plus chargé en fer, l'introduction dans la gamme d'un recuit intermédiaire conduit, par rapport à l'alliage B de l'exemple 1, à une légère baisse de Rm et R0j2, et à une légère augmentation de l'allongement.
Exemple 3
On a coulé deux bobines en alliages E (802 IB) et F (selon l'invention) dont les compositions sont indiquées au tableau 5 :
Tableau 5
Figure imgf000007_0002
La gamme de fabrication est identique à celle de l'exemple 2, avec en plus une homogénéisation de la bande coulée de 10 h à 520°C. Les caractéristiques mécaniques statiques dans les sens L et T sont indiquées au tableau 6 : Tableau 6
Figure imgf000008_0001
La comparaison des alliages E et F conduit aux mêmes remarques qu'aux deux exemples précédents. De plus, l'introduction d'une homogénéisation conduit pour l'alliage F, par rapport à l'alliage D de l'exemple 2, à une légère baisse de Rm et R0j2, et une légère amélioration de l'allongement. Ainsi, l'introduction dans la gamme d'une homogénéisation et/ou d'un recuit intermédiaire dépend du compromis recherché entre la résistance mécanique et la formabilité.

Claims

Revendications
1. Bande en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 30 et 150 μm, en alliage de composition (% en poids) :
Si < 0,4 Fe : 1 ,5 - 1 ,9 Mn : 0,04 - 0, 15 autres éléments : < 0,05 chacun et 0,15 au total, reste aluminium.
2. Procédé de fabrication de bandes selon la revendication 1 comportant la coulée continue entre cylindres d'une bande d'épaisseur comprise entre 2 et 10 mm, éventuellement l'homogénéisation de cette bande entre 420 et 550°C, le laminage à froid de cette bande jusqu'à l'épaisseur finale avec éventuellement un recuit intermédiaire de 1 à 4 h entre 300 et 350°C, et un recuit final à une température comprise entre 200 et 430°C d'une durée d'au moins 30 h.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le recuit final se fait en 2 paliers, le premier entre 200 et 300°C, le second entre 300 et 430°C.
4. Utilisation de bandes selon la revendication 1 pour des plats et barquettes pour aliments.
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