WO2018185425A1 - Procede ameliore de fabrication de composant de structure de caisse automobile - Google Patents

Procede ameliore de fabrication de composant de structure de caisse automobile Download PDF

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WO2018185425A1
WO2018185425A1 PCT/FR2018/050829 FR2018050829W WO2018185425A1 WO 2018185425 A1 WO2018185425 A1 WO 2018185425A1 FR 2018050829 W FR2018050829 W FR 2018050829W WO 2018185425 A1 WO2018185425 A1 WO 2018185425A1
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PCT/FR2018/050829
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Inventor
Estelle MULLER
Olivier Rebuffet
Guillaume DELGRANGE
Original Assignee
Constellium Neuf-Brisach
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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
    • C22F1/05—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 of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon

Definitions

  • the invention relates to the field of parts or components of automotive structure also called “white box”, manufactured in particular by stamping aluminum alloy sheets, more particularly alloys of the AA6xxx series according to the designation "Aluminum Association” , intended to absorb energy irreversibly during an impact, and having an excellent compromise between high mechanical strength and good "crash” behavior, such as in particular shock absorbers or “crashboxes", reinforcement pieces, lining, or other body structure parts.
  • the invention relates to the manufacture of such components by stamping in a quenched and matured solution state followed by a hardening on part and a treatment of baking paints or "bake hardening".
  • the expression 1.4 x Si means that the silicon content expressed in% by weight is multiplied by 1.4.
  • the definitions of the metallurgical states are given in the European standard EN 515.
  • the static mechanical characteristics in tension in other words the ultimate tensile strength R m , the conventional yield stress at 0.2% elongation Rpo, 2, and the elongation at break A%, are determined by a tensile test according to standard NF EN ISO 6892-1.
  • alpha norm The folding angles, called alpha norm, are determined by a 3-point bend test according to the NF EN ISO 7438 standard and the VDA 238-100 and VDA 239-200 procedures.
  • Aluminum alloys are increasingly used in the automotive industry to reduce the weight of vehicles and thus reduce fuel consumption and greenhouse gas emissions.
  • the aluminum alloy sheets are used in particular for the manufacture of many parts of the "white box” among which are distinguished body skin parts (or outer body panels) such as the front wings, roofs or pavilions, skins bonnet, boot or door, and lining parts or body structure components such as liners or reinforcements door, hood, tailgate, roof, or the rails, aprons, floors of loads, tunnels and feet front, middle and rear, finally the shock absorbers or "crashboxes".
  • body skin parts or outer body panels
  • lining parts or body structure components such as liners or reinforcements door, hood, tailgate, roof, or the rails, aprons, floors of loads, tunnels and feet front, middle and rear, finally the shock absorbers or "crashboxes”.
  • Alloys of the type AA6013 have also been the subject of much work.
  • Alcoa in the application US2002039664 published in 2002, an alloy comprising 0.6-1.15% Si; 0.6-1% Cu; 0.8-1.2% Mg; 0.55-0.86% Zn; less than 0.1% Mn; 0.2-0.3%) Cr and about 0.2%> Fe, used in the T6 state, combines good resistance to intergranular corrosion, as well as a Rpo, 2 of 380 MPa.
  • the object of the invention is to provide an alloy of the AA6013 type with a reduced Cu level, targeting 355 MPa of Rm in the T6 state and good resistance to intergranular corrosion.
  • the composition claimed is as follows: 0.8-1.3%) Si; 0.2-0.45%) Cu; 0.5-1.1%) Mn; 0.45-1.0% Mg.
  • EPI 702995 A1 discloses a process for producing an aluminum alloy sheet, which comprises providing a molten aluminum alloy having a chemical composition, in% by weight, Mg: 0.30 to 1 , 00%, Si: 0.30 to 1.20%, Fe: 0.05 to 0.50%, Mn: 0.05 to 0.50%, Ti: 0.005 to 0.10%, optionally one or more among Cu: 0.05 to 0.70%> and Zr: 0.05 to 0.40%>, and the remainder: Al and unavoidable impurities, the casting of the molten alloy in a plate having a thickness of 5 at 15 mm by the double-band casting method with a cooling rate at 1/4 of the plate thickness from 40 to 150 ° C / s, the winding in the form of a coil, a treatment of homogenizing, cooling the resulting coil to a temperature of 250 ° C or less with a cooling rate of 500 ° C / h or more, followed by cold rolling, and then a solution treatment.
  • the aim of the invention is to obtain an excellent compromise between T4 formability and high mechanical strength, as well as good riveting and "crash" behavior of the finished component, by proposing a method of manufacturing such components by shaping them at the same time.
  • a problem is also to achieve a short and economically advantageous process.
  • the subject of the invention is a method for manufacturing a shaped, particularly stamped component, bodywork or body structure, also called a "white body” made of aluminum alloy, comprising the following steps:
  • Solution heat treatment quenching and pre-tempering at a temperature generally between 50 and 100 ° C for a period of at least 12 hours, and typically obtained by winding at a temperature of at least 60 ° C followed cooling in the open,
  • three-dimensional room means a room for which there is no direction in which the transverse section of said room is constant along said direction.
  • Another object of the invention is a stamped bodywork component or bodywork structure also called “white box” produced by a method according to one of claims 1 to 10, characterized in that its elastic limit, determined according to standard NF EN ISO 6892-1, is Rpo, 2> 270 MPa and preferably> 275 MPa, and in that its "angle of folding three points" abnormal, determined according to standard NF EN ISO 7438 and the procedures VDA 238-100 and VDA 239-200, is> 100 ° and preferably> 105 ° with anorm> - (4/3) * Rp 0 , 2 + 507.
  • the invention also encompasses a stamped body component or bodywork structure also called “white box” according to the invention such as in particular a lining or reinforcement door, hood, tailgate, roof, or the side members , aprons, load floors, tunnels and front, middle and rear feet or uprights, as well as shock absorbers or "crashboxes".
  • a stamped body component or bodywork structure also called “white box” according to the invention such as in particular a lining or reinforcement door, hood, tailgate, roof, or the side members , aprons, load floors, tunnels and front, middle and rear feet or uprights, as well as shock absorbers or "crashboxes”.
  • FIG. 1 shows the device for "three-point folding test" consisting of two rollers R, a punch B of radius r for folding the sheet T of thickness t.
  • FIG. 2 shows the sheet T after the "three-point folding" test with the internal angle ⁇ and the external angle, the measured result of the test: a.
  • Figure 3 shows the trade-off between the yield strength and the bend angle for a selection of tests.
  • the invention is based on the finding made by the Applicant that it is entirely possible, thanks to a composition and a suitable manufacturing process, to obtain sheets having excellent drawability after dissolution, quenching and maturing at ambient temperature, and sufficient mechanical strength in the reclaimed state and after the baking treatment of the paints, typically and respectively for 4 hours and 20 minutes at 205 ° C. and 180 ° C., while guaranteeing a riveting ability and a crash behavior of the finished component very satisfactory.
  • the mechanical characteristics reached in this last metallurgical state are a limit of elasticity Rpo, 2> 270 MPa, as well as an anomalous folding angle without crack> 100 ° and preferably> 105 °, with anorm> - (4/3 * Rp 0 , 2 + 507.
  • the composition of the alloy according to the invention is the following (% by weight):
  • Si 0.60 - 0.85; Fe: 0.05 - 0.25; Cu: 0.05 - 0.30; Mn: 0.05 - 0.30; Mg: 0.50 - 1.00; Ti: 0.02 - 0.10; V: 0.00 - 0.10, with Ti + V ⁇ 0.10 other elements ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 in total, remaining aluminum, with Mg ⁇ -2.67 x Si + 2.87
  • silicon is the first alloying element of aluminum-magnesium-silicon systems (AA6xxx family) to form Mg 2 Si or MgsSie intermetallic compounds that contribute to the structural hardening of these alloys.
  • the range of the most advantageous content for silicon is 0.60 to 0.75%.
  • Mg Generally, the level of mechanical characteristics of alloys of the AA6xxx family increases with the magnesium content. Combined with silicon to form Mg 2 Si or MgsSie intermetallic compounds, magnesium contributes to the increase of mechanical properties. A minimum content of 0.50% is required to obtain the required level of mechanical characteristics and to form sufficient hardening precipitates. Beyond 1.00%, the Si / Mg ratio obtained is unfavorable to the compromise of properties sought.
  • the most advantageous range for magnesium is 0.60 to 0.70%.
  • Fe Iron is generally considered an undesirable impurity; the presence of intermetallic compounds containing iron is generally associated with a decrease in formability. Surprisingly, the present inventors have found that a content in excess of 0.05%, and better still 0.10%, improves the ductility and the formability, in particular by delaying the rupture during the deformation after necking. Although they are not related to this hypothesis, the present inventors believe that this surprising effect could come in particular from the substantial decrease in the solubility of solid solution manganese when this element is present and / or the formation of a high density. intermetallic particles guaranteeing good "hardenability" during shaping. In these grades, iron can also contribute to the control of grain size. Above 0.25%), too many intermetallic particles are created with a detrimental effect on ductility and corrosion resistance.
  • the most preferred range is 0.05 to 0.20%.
  • Mn its content is limited to 0.30%. An addition of manganese above 0.05%) increases the mechanical characteristics by the effect of solid solution, but beyond 0.30% o, it would very strongly decrease the sensitivity to the speed of deformation and therefore the ductility .
  • An advantageous range for manganese is 0.10 to 0.15%
  • Cu In alloys of the AA6000 family, copper is an effective hardener by participating in hardening precipitation. At a minimum content of 0.05%, its presence makes it possible to obtain higher mechanical characteristics. In the alloy considered, copper above 0.30%> has a negative influence on the resistance to intergranular corrosion. Preferably, the copper content is at most 0.20%.
  • the most favorable range for copper is 0.08 to 0.15%.
  • V and Ti each of these elements, for Ti at a content of at least 0.02%, can promote a solid solution hardening leading to the required mechanical characteristics and each of these elements has a favorable effect on the ductility in service and resistance to corrosion.
  • a maximum content of 0.10% for Ti as for V, and a sum of the Ti and V Ti + V contents ⁇ 0.10%) are required in particular to avoid the conditions of formation of the primary phases during the vertical casting and improve formability performance.
  • the most preferred range is 0.03 to 0.10% for Ti.
  • a range of V from 0.03 to 0.08% is preferred, however in another advantageous embodiment for recycling problems, the V content is maintained at at most 0, 03%.
  • the other elements are typically impurities whose content is kept below 0.05%; the rest is aluminum.
  • impurities that may be mentioned for example Cr, Ni, Zn, Zr and Pb.
  • certain impurities are maintained at even lower contents.
  • the content of Ni and Zr is advantageously kept below 0.03% and the Pb content is advantageously kept below 0.02%.
  • the method of manufacturing the sheets according to the invention typically comprises the casting of a plate, the scalping of this plate, followed by its homogenization advantageously with a temperature rise rate of at least 30 ° C / h to a maximum of temperature of 530 to 570 ° C with a maintenance between 2 and 12 h, preferably between 4 and 6 h, followed by cooling, either up to room temperature or up to hot rolling start temperature.
  • the hot rolling of the plate in a strip of thickness between 3.5 and 10 mm the cold rolling to the final thickness typically between 1 and 3.5 mm, the dissolution of the rolled strip at a temperature above the solvus temperature of the alloy, while avoiding a local melting or burning, or between 540 and 570 ° C for 10 s to 30 min, quenching at a rate of more than 30 ° C / sec and more preferably at least 100 ° C / sec.
  • a pre-income that is to say a treatment at a temperature of between 50 and 100 ° C. for a duration of at least 12 hours, typically occurs. obtained by winding at a temperature of at least 60 ° C followed by cooling in the open air, then maturation at room temperature for 72 hours to 6 months.
  • the sheets according to the invention have a very good stamping ability.
  • T is the instantaneous temperature expressed in Kelvin, which evolves with the time t and T eq is the reference temperature of 205 ° C (478 K), and Teq is the equivalent time.
  • the components thus manufactured have, in use, after forming, optimized income on the part, assembly and baking of the paints, properties high mechanical characteristics, very good crash behavior and good corrosion resistance.
  • a stamped bodywork component or bodywork structure also called a “blank body” produced by a method of the invention, is characterized in that its elastic limit, determined according to the NF EN ISO 6892-1 standard, is Rpo, 2> 270 MPa and preferably> 275 MPa, and in that its abnormal "angle of folding three points", determined according to the standard NF EN ISO 7438 and the procedures VDA 238-100 and VDA 239-200, is > 100 ° and preferably> 105 ° with anorm> - (4/3) * Rpo, 2 + 507.
  • a stamped bodywork component or bodywork structure also known as a "white body”, according to the invention, is chosen from the group containing, in particular, liners or reinforcements for doors, bonnets, tailgate or roof, or the spars, aprons, load floors, tunnels and front, middle and rear feet, as well as shock absorbers or "crashboxes".
  • Table 1 summarizes the nominal chemical compositions (% by weight) of the alloys used in the tests. The content of the other elements was ⁇ 0.05.
  • the rolling plates of these different alloys were obtained by vertical semi-continuous casting. After scalping, these different plates have undergone a heat treatment homogenization and / or reheating whose temperatures are given in Table 2.
  • the plates of composition 1, 2, 7 and 8 underwent a homogenization treatment at 530 ° C. consisting of a temperature rise at a speed of 30 ° C./h up to 530 ° C. and a maintenance of the order 3 hours at this temperature.
  • This homogenization step is directly followed by a hot rolling step.
  • the plates of composition 3, 31 and 9 have undergone a homogenization treatment at 540 ° C. consisting of a temperature rise at a speed of 30 ° C./h up to 540 ° C., a maintenance of the order of 5 hours at this temperature directly followed by hot rolling.
  • composition 4, 5 and 6 were homogenized consisting of a rise at 570 ° C. with a minimum hold of 2 hours at this temperature, directly followed by hot rolling.
  • the composition plate 10 has undergone a homogenization treatment at 550 ° C consisting of a temperature rise at a rate of 30 ° C / h to 550 ° C, a maintenance of about 4 hours at this temperature .
  • This homogenization step is directly followed by a hot rolling step.
  • the next hot rolling step is carried out on a reversible rolling mill followed according to the case of a hot tandem rolling mill with 4 stands up to a thickness of between 3.5 and 10 mm.
  • the hot rolling output thicknesses of the tested cases are given in Table 2. It is followed by a cold rolling step which makes it possible to obtain sheets of thickness between 2.0 and 2.5 mm.
  • the cold rolling output thicknesses of the tested cases are given in Table 2 below.
  • the rolling steps are followed by a solution heat treatment step and quenching.
  • the dissolution is done at a temperature above the solvus temperature of the alloy, while avoiding burning.
  • the dissolved sheet is then quenched at a minimum speed of 30 ° C / s. For tests 18 to 21 a minimum speed of 100 ° C / s was used.
  • this step is carried out in a passing furnace by raising the temperature of the metal to the dissolution temperature in less than about one minute directly followed by a tempering.
  • the dissolution is done in an air oven with introduction in hot furnace, reached the dissolution temperature in less than 20 minutes and maintained at this temperature for 30 minutes.
  • This dissolution step is followed by immersion quenching in water at 85 ° C.
  • the quenching is followed by a pre-tempered heat treatment, intended to improve the curing performance during the baking of the paints.
  • this step is performed by winding at a temperature of at least 60 ° C followed by cooling in the open air.
  • the pre-income is obtained by immersing and keeping the sheets in water at 85 ° C for 8 hours.
  • a maturation at a temperature of at least 72 hours was then carried out.
  • the protocols recommend for the pieces shaped to the metallurgical state T4 then undergoing the baking treatment of the paints, to achieve between the maturation and the baking of the paintings a pre-deformation in controlled tension of 2%, to simulate the setting form by stamping.
  • the crash behavior can be estimated by a "three-point folding test" according to the NF EN ISO 7438 standard and the VDA 238-100 and VDA 239-200 procedures.
  • the folding device is as shown in FIG.
  • the rollers have a diameter of 30 mm and the distance between the axes of the rollers is equal to 30 + 2t mm, t being the thickness of the sheet tested T.
  • the punch is brought into contact with the sheet with a pre-force of 30 Newtons. Once the contact is established, the displacement of the punch is indexed to zero. The test then consists in moving the punch so as to perform the "three-point folding" of the sheet.
  • the test stops when a micro-cracking of the sheet leads to a force drop on the punch of at least 30 Newtons, or when the punch has moved 14.2 mm, which corresponds to the stroke maximum allowed.
  • the sheet sample is thus folded as shown in Figure 2.
  • the ductility in service is then evaluated by measuring the bending angle a.
  • the higher the angle a the better the ability to crash or bend the sheet.
  • all the angles measured for different sheet thicknesses are brought back to the anormal value, according to the formula below, as described in the VDA 239-200 standard:
  • the protocols recommend for the pieces shaped to the metallurgical state T4 and then undergoing the baking treatment of the paints, to achieve between the maturation and the baking of the paintings a pre-deformation in tensile control of 10%, to simulate the setting form by stamping.
  • this pre-deformation has no very significant effect on the characteristics of the final component.
  • Table 4 By combining the preferred income and the compositions according to the invention, according to tests 19, 20 and 21, a remarkable compromise of property is reached, namely a yield strength Rpo, 2> 270 MPa and preferably> 275 MPa, and that an anomalous folding angle without crack> 100 ° and preferably> 105 ° and anorm> - (4/3) * Rpo, 2 + 507, which is illustrated by FIG. 3.
  • examples 4 and 7 allow to obtain a limit of elasticity Rpo, 2> 270 MPa and an angle of folding without crack> 100 ° but do not allow to obtain and that an angle of folding without abnormal cracks> - (4 / 3) * Rp 0 , 2 + 507.

Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile en alliage d'aluminium comprenant les étapes de fabrication d'une tôle ou bande d'épaisseur comprise entre 1,0 et 3,5 mm en alliage de composition (% en poids): Si: 0,60 -0,85; Fe: 0,05 -0,25; Cu: 0,05 -0,30; Mn: 0,05 -0,30; Mg: 0,50 - 1,00; Ti: 0,02 -0,10; V: 0,00 -0,10 avec Ti + V ≤ 0,10 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, avec Mg < -2,67 x Si +2,87, mise en solution et trempe,pré-revenu,maturation entre 72 het 6 mois, emboutissage,revenu 10 à une température d'environ 205°C avec un temps de maintien compris entre 30 et 170 minutes ou revenu à temps-température équivalent,peinture et «revenu de cuisson des peintures» ou «bake hardening» à une température de 150 à 190°C pendant 15 à 30 min. L'invention a également pour objet un composant embouti de carrosserie ou structure 1 de caisse automobile encore appelée «caisse en blanc» élaboré par un tel procédé.

Description

PROCEDE AMELIORE DE FABRICATION DE COMPOSANT DE STRUCTURE DE CAISSE AUTOMOBILE
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine des pièces ou composants de structure automobile encore appelée « caisse en blanc », fabriqués notamment par emboutissage de tôles en alliage d'aluminium, plus particulièrement en alliages de la série AA6xxx selon la désignation de Γ « Aluminum Association », destinées à absorber de l'énergie de façon irréversible lors d'un choc, et présentant un excellent compromis entre résistance mécanique élevée et bon comportement au « crash », tels que notamment des absorbeurs de choc ou « crashboxes », pièces de renfort, de doublure, ou autres pièces de structure de caisse.
Plus précisément, l'invention porte sur la fabrication de tels composants par emboutissage dans un état mis solution trempé et mûri suivi d'un durcissement par revenu sur pièce et d'un traitement de cuisson des peintures ou « bake hardening ».
Etat de la technique
En préambule, tous les alliages d'aluminium dont il est question dans ce qui suit sont désignés, sauf indication contraire, selon les désignations définies par Γ « Aluminum Association » dans les « Registration Record Séries » qu'elle publie régulièrement.
Toutes les indications concernant la composition chimique des alliages sont exprimées comme un pourcentage en poids basé sur le poids total de l'alliage.
L'expression 1,4 x Si signifie que la teneur en silicium exprimée en % en poids est multipliée par 1,4.
Les définitions des états métallurgiques sont indiquées dans la norme européenne EN 515. Les caractéristiques mécaniques statiques en traction, en d'autres termes la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité conventionnelle à 0,2% d'allongement Rpo,2, et l'allongement à la rupture A%, sont déterminées par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1.
Les angles de pliage, appelés alpha norm, sont déterminés par essai de pliage 3- points selon la norme NF EN ISO 7438 et les procédures VDA 238-100 et VDA 239- 200.
Les alliages d'aluminium sont utilisés de manière croissante dans la construction automobile pour réduire le poids des véhicules et ainsi diminuer la consommation de carburant et les rejets de gaz à effet de serre.
Les tôles en alliage d'aluminium sont utilisées notamment pour la fabrication de nombreuses pièces de la « caisse en blanc » parmi lesquelles on distingue les pièces de peau de carrosserie (ou panneaux extérieurs de carrosserie) comme les ailes avant, toits ou pavillons, peaux de capot, de coffre ou de porte, et les pièces de doublure ou composants de structure de caisse comme par exemple les doublures ou renforts de porte, de capot, de hayon, de pavillon, ou encore les longerons, les tabliers, les planchers de charges, les tunnels et les pieds avant, milieu et arrière, enfin les absorbeurs de choc ou « crashboxes ».
Si de nombreuses pièces de peau sont déjà réalisées en tôles d'alliages d'aluminium, la transposition de l'acier à l'aluminium de pièces de doublure ou de structure présentant des géométries complexes s'avère plus délicate. D'une part du fait de la moins bonne formabilité des alliages d'aluminium par rapport aux aciers et d'autre part du fait des caractéristiques mécaniques en général moins élevées que celles des aciers utilisés pour ce type de pièces.
En effet, ce type d'application requiert un ensemble de propriétés, parfois antagonistes telles que :
- une formabilité élevée à l'état de livraison, état T4, en particulier pour les opérations d'emboutissage,
- une limite d'élasticité contrôlée à l'état de livraison de la tôle pour maîtriser le retour élastique lors de la mise en forme,
- un bon comportement dans les divers procédés d'assemblage utilisés en carrosserie automobile tels que le soudage par points, le soudage laser, le collage, le clinchage ou le rivetage, - une résistance mécanique élevée après cataphorèse et cuisson des peintures pour obtenir une bonne résistance mécanique en service tout en minimisant le poids de la pièce,
- une bonne capacité à l'absorption d'énergie en cas de choc pour application à des pièces de structure de caisse,
- une bonne résistance à la corrosion, notamment la corrosion intergranulaire, la corrosion sous contrainte et la corrosion filiforme de la pièce finie,
- une compatibilité avec les exigences du recyclage des déchets de fabrication ou des véhicules recyclés,
- un coût acceptable pour une production en grande série.
Il existe cependant d'ores et déjà des véhicules automobiles de grande série disposant d'une caisse en blanc constituée majoritairement d'alliages aluminium. Par exemple le modèle Ford F-150 version 2014 est constitué de l'alliage de structure AA6111. Cet alliage a été développé par le groupe « Alcan » dans les années 1980- 1990. Deux références décrivent ces travaux de développement :
- P. E. Fortin et al, "An optimized Al alloy for Auto body sheet applications", SAE technical conférence, March 1984 décrit la composition suivante :
Figure imgf000005_0001
- M. J. Bull et al, "Al sheet alloys for structural and skin applications", 25th ISATA symposium, Paper 920669, June 1992:
La propriété principale reste une forte résistance mécanique, même si elle est initialement prévue pour résister à l'indentation pour des applications du type peaux : « A yield-strength of 280 MPa is achieved after 2% pre-strain and 30 min at 177°C ».
D'autre part, d'autres alliages de la famille AA6xxx à hautes caractéristiques mécaniques ont été développés pour des applications aéronautiques ou automobiles. Ainsi, l'alliage du type AA6056, dont le développement date des années 1980 chez « Pechiney » a fait l'objet de nombreux travaux et de nombreuses publications, soit pour optimiser les caractéristiques mécaniques, soit pour améliorer la tenue à la corrosion intergranulaire. Nous retiendrons l'application automobile de ce type d'alliage, qui a fait l'objet d'une demande de brevet (WO2004113579A1).
Les alliages du type AA6013 ont également fait l'objet de nombreux travaux. Par exemple, chez « Alcoa », dans la demande US2002039664 publiée en 2002, un alliage comprenant 0.6-1.15% Si ; 0.6-1% Cu ; 0.8-1.2% Mg ; 0.55-0.86% Zn ; moins de 0.1 % Mn ; 0.2-0.3%) Cr et environ 0.2%> Fe, utilisé à l'état T6, combine une bonne résistance à la corrosion intergranulaire, ainsi qu'un Rpo,2 de 380 MPa.
Chez « Aleris », une demande publiée en 2003, WO03006697, a pour objet un alliage de la série AA6xxx avec 0.2 à 0.45% de Cu. L'objet de l'invention est de proposer un alliage du type AA6013 avec un niveau de Cu réduit, ciblant 355 MPa de Rm à l'état T6 et une bonne résistance à la corrosion intergranulaire. La composition revendiquée est la suivante : 0.8-1.3%) Si ; 0.2-0.45%) Cu ; 0.5-1.1%) Mn ; 0.45-1.0% Mg.
Notons enfin que dans la plupart des exemples précités, l'obtention des caractéristiques mécaniques (Rpo,2, Rm) élevées est atteinte en ayant recours à des alliages contenant au moins 0,5%> de cuivre. On connaît par ailleurs des pièces structurales pour application automobile en alliage 7xxx telles que décrites par exemple dans la demande EP 2 581 218.
En outre, pour la réalisation en alliage d'aluminium de pièces de géométrie complexe, comme notamment une doublure de portière, non réalisable par emboutissage conventionnel avec les alliages précités, différentes solutions ont été envisagées et/ou mises en œuvre par le passé :
- Contourner la difficulté liée à l'emboutissage en réalisant ce type de pièces par moulage et notamment du type « Sous-Pression ». En témoigne le brevet EP 1 305 179 Bl de Nothelfer GmbH sous priorité de 2000.
- Pratiquer un emboutissage dit « à tiède » pour bénéficier d'une meilleure aptitude à l'emboutissage. Cela consiste à chauffer le flan en alliage d'aluminium, totalement ou localement à une température dite intermédiaire, soit de 150 à 350°C, pour améliorer son comportement sous la presse dont l'outillage peut également être préchauffé. Le brevet EP 1 601 478 Bl de la demanderesse, sous priorité de 2003, repose sur cette solution.
- Modifier, via sa composition, l'aptitude à l'emboutissage de l'alliage de la série AA5xxx lui-même ; il a été notamment proposé d'augmenter la teneur en magnésium au-delà de 5%. Mais ceci n'est pas neutre en termes de résistance à la corrosion.
- Utiliser des tôles composites constituées d'une âme en alliage de la série AA5xxx, à teneur en Mg au-delà de 5% pour une meilleure formabilité, et d'une tôle de placage en alliage résistant mieux à la corrosion. Mais la résistance à la corrosion en bords de tôle, dans les zones poinçonnées ou plus généralement où l'âme est exposée, et notamment dans les assemblages, peut alors s'avérer insuffisante.
- Enfin procéder à un laminage asymétrique afin de créer une texture cristallographique plus favorable a également été proposé. En témoigne la demande JP 2003-305503 de Mitsubishi Aluminium). Mais l'industrialisation de ce type de laminage asymétrique est délicate, requiert des laminoirs spécifiques, peut avoir un impact défavorable sur l'aspect de surface des tôles obtenues, et peut aussi engendrer des surcoûts importants.
- Par ailleurs le document EPI 702995 Al décrit un procédé pour produire une feuille en alliage d'aluminium, qui comprend la fourniture d'un alliage d'aluminium fondu ayant une composition chimique, en% en poids, Mg: 0,30 à 1,00%, Si: 0,30 à 1,20%, Fe: 0,05 à 0,50%, Mn: 0,05 à 0,50%, Ti: 0,005 à 0,10%, éventuellement un ou plusieurs parmi Cu: 0,05 à 0,70%> et Zr: 0,05 à 0,40%>, et le reste: Al et les impuretés inévitables, la coulée de l'alliage fondu dans une plaque ayant une épaisseur de 5 à 15 mm par la méthode de coulée à double bande avec une vitesse de refroidissement à 1/4 de l'épaisseur de la plaque de 40 à 150 ° C / s, l'enroulement sous forme d'une bobine, un traitement d'homogénéisation, le refroidissement de la bobine résultante à une température de 250 ° C ou moins avec une vitesse de refroidissement de 500 ° C / h ou plus, suivie d'un laminage à froid, puis un traitement en solution. Ce document ne mentionne pas de revenu sur pièce après mise en forme. Compte tenu du développement croissant de l'utilisation des tôles en alliage d'aluminium pour les composants de carrosserie automobile et des productions de grande série, il existe toujours une demande de nuances encore améliorées permettant de réduire les épaisseurs sans altérer les autres propriétés de façon à toujours accroître l'allégement.
Bien évidemment, cette évolution passe par l'utilisation d'alliages à limite d'élasticité de plus en plus élevée, et la solution consistant à utiliser des alliages de la série AA6xxx de plus en plus résistants, mis en forme à l'état T4, c'est à dire après mise en solution et trempe, et durcissant fortement lors des opérations de pré-revenu et cuisson des peintures et vernis, atteint ses limites. Elle débouche sur des alliages de plus en plus durs dès l'état T4 et qui, de ce fait, posent de sérieux problèmes de mise en forme.
Problème posé
L'invention vise à obtenir un excellent compromis entre formabilité à l'état T4 et résistance mécanique élevée ainsi que bon comportement au rivetage et au « crash » du composant fini, en proposant un procédé de fabrication de tels composants par mise en forme à l'état métallurgique T4 après maturation à l'ambiante, suivie d'un durcissement par revenu sur pièce mise en forme et d'une cuisson des peintures ou « bake hardening ». Un problème est également de réaliser un procédé court et économiquement avantageux.
Ces composants doivent en outre présenter une très bonne résistance à la corrosion et un bon comportement dans les divers procédés d'assemblage tels que le soudage par points, le soudage laser, le collage, le clinchage ou le rivetage.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un composant mis en forme, notamment embouti, de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » en alliage d'aluminium, comprenant les étapes suivantes :
Fabrication d'une tôle ou bande d'épaisseur comprise entre 1 et 3,5 mm en alliage de composition (% en poids) : Si : 0,60 - 0,85 ; Fe : 0,05 - 0,25 ; Cu : 0,05 - 0,30 ; Mn : 0,05 - 0,30 ; Mg : 0,50 - 1,00 ; Ti : 0,02 - 0,10 ; V : 0,00 - 0,10 avec Ti + V < 0,10 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, avec Mg < -2,67 x Si +2,87,
Traitement thermique de mise en solution, trempe et pré-revenu éventuel à une température comprise généralement entre 50 et 100 °C pendant une durée d'au moins 12 heures, et typiquement obtenu par bobinage à une température d'au moins 60°C suivi du refroidissement à l'air libre,
Maturation à température ambiante typiquement entre 72 heures et 6 mois, Mise en forme, notamment par emboutissage sous presse, pour obtenir une pièce tridimensionnelle,
Revenu sur pièce à une température de substantiellement 205°C avec un temps de maintien compris entre 30 et 170 minutes, et de préférence entre 60 et 120 minutes, ou revenu à temps-température équivalent, soit avec un temps de maintien équivalent teq à la température Teq de 205 °C compris entre 30 et 170 minutes, et de préférence entre 60 et 120 minutes, selon l'équation : &qs î— i d = exP f r_r- | dt où Q vaut sensiblement 82915 J, dans laquelle T est la température instantanée exprimée en Kelvin qui évolue avec le temps t et Teq est la température de référence de 205 °C (478 K), et teq est le temps équivalent.
Peinture et « revenu de cuisson des peintures » ou « bake hardening » à une température de 150 à 190 °C et de préférence de 170 à 190°C pendant 15 à 30 min.
On entend par pièce tridimensionnelle une pièce pour laquelle il n'existe aucune direction dans laquelle la section transverse de ladite pièce est constante selon toute ladite direction.
Un autre objet de l'invention est un composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » élaboré par un procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que sa limite d'élasticité, déterminée selon la norme NF EN ISO 6892-1, est Rpo,2 > 270 MPa et de préférence > 275 MPa, et en ce que en ce que son « angle de pliage trois points » anorm, déterminé suivant la norme NF EN ISO 7438 et les procédures VDA 238-100 et VDA 239-200, est > 100° et de préférence > 105° avec anorm > - (4/3) * Rp0,2 + 507. Enfin, l'invention englobe également un composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » selon l'invention tel que notamment une doublure ou un renfort de porte, de capot, de hayon, de pavillon, ou encore les longerons, les tabliers, les planchers de charges, les tunnels et les pieds ou montants avant, milieu et arrière, ainsi que les absorbeurs de choc ou « crashboxes ».
Description des figures La figure 1 représente le dispositif pour « test de pliage trois points » constitué de deux rouleaux R, d'un poinçon B de rayon r pour procéder au pliage de la tôle T d'épaisseur t.
La figure 2 représente la tôle T après test de « pliage trois points » avec l'angle interne β et l'angle externe, résultat mesuré du test : a.
La figure 3 représente le compromis entre la limite d'élasticité et l'angle de pliage pour une sélection d'essais.
Description de l'invention
L'invention repose sur la constatation faite par la demanderesse qu'il est tout à fait possible, grâce à une composition et un procédé de fabrication adaptés, d'obtenir des tôles possédant une excellente aptitude à l'emboutissage après mise en solution, trempe et maturation à l'ambiante, et une résistance mécanique suffisante à l'état revenu et après traitement de cuisson des peintures, typiquement et respectivement pendant 4 h et 20 min à 205°C et 180°C, tout en garantissant une aptitude au rivetage et un comportement au crash du composant fini très satisfaisants. Les caractéristiques mécaniques atteintes dans ce dernier état métallurgique sont une limite d'élasticité Rpo,2 > 270 MPa, ainsi qu'un angle de pliage anorm sans fissure > 100° et de préférence > 105°, avec anorm > - (4/3) * Rp0,2 + 507. La composition de l'alliage selon l'invention est la suivante (% en poids) :
Si : 0,60 - 0,85 ; Fe : 0,05 - 0,25 ; Cu : 0,05 - 0,30 ; Mn : 0,05 - 0,30 ; Mg : 0,50 - 1,00 ; Ti : 0,02 - 0,10 ; V : 0,00 - 0,10, avec Ti + V < 0,10 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, avec Mg < -2,67 x Si +2,87
Les plages de concentration imposées aux éléments constitutifs de ce type d'alliage s'expliquent de ce fait par les raisons suivantes :
Si : Le silicium est, avec le magnésium, le premier élément d'alliage des systèmes aluminium-magnésium-silicium (famille AA6xxx) pour former les composés intermétalliques Mg2Si ou MgsSie qui contribuent au durcissement structural de ces alliages. La présence de silicium, à une teneur comprise entre 0,60% et 0,85%), combinée à la présence de magnésium, à une teneur comprise entre 0,50%> et l,00%o, avec Mg < -2,67 x Si + 2,87, permet d'obtenir le ratio Si/Mg requis pour atteindre les propriétés mécaniques recherchées tout en garantissant une bonne résistance à la corrosion et une mise en forme en emboutissage à température ambiante satisfaisante. En effet, si Mg > -2,67 x Si + 2,87 pour les teneurs en silicium et magnésium selon l'invention, les alliages ne pourront généralement pas être mis en solution, ce qui de fait nuira au compromis recherché.
La fourchette de teneur la plus avantageuse pour le silicium est de 0,60 à 0,75%>. Mg : Généralement, le niveau de caractéristiques mécaniques des alliages de la famille des AA6xxx augmente avec la teneur en magnésium. Combiné au silicium pour former les composés intermétalliques Mg2Si ou MgsSie, le magnésium contribue à l'accroissement des propriétés mécaniques. Une teneur minimum de 0,50%o est nécessaire pour obtenir le niveau de caractéristiques mécaniques requis et former suffisamment de précipités durcissants. Au-delà de 1,00%, le ratio Si/Mg obtenu est défavorable au compromis de propriétés recherchées.
La fourchette de teneur la plus avantageuse pour le magnésium est de 0,60 à 0,70%>. Fe : Le fer est généralement considéré comme une impureté indésirable ; la présence de composés intermétalliques contenant du fer est en général associée à une diminution de la formabilité. De façon surprenante, les présents inventeurs ont constaté qu'une teneur au-delà de 0,05%, et mieux 0,10%, améliore la ductilité et la formabilité notamment en retardant la rupture lors de la déformation après striction. Bien qu'ils ne soient pas liés à cette hypothèse les présents inventeurs pensent que cette effet surprenant pourrait provenir notamment de la diminution sensible de la solubilité du manganèse en solution solide quand cet élément est présent et/ou de la formation d'une forte densité de particules intermétalliques garantissant une bonne « écrouissabilité » au cours de la mise en forme. Dans ces teneurs le fer peut également contribuer au contrôle de la taille des grains. Au-delà d'une teneur de 0,25%), trop de particules intermétalliques sont créées avec un effet néfaste sur la ductilité et la résistance à la corrosion.
La fourchette de teneur la plus avantageuse est de 0,05 à 0,20%>.
Mn : sa teneur est limitée à 0,30%. Une addition de manganèse au-delà de 0,05%) accroît les caractéristiques mécaniques par effet de solution solide, mais au- delà de 0,30%o, elle ferait très fortement décroître la sensibilité à la vitesse de déformation et donc la ductilité.
Une fourchette avantageuse pour le manganèse est de 0,10 à 0,15%
Cu : Dans les alliages de la famille des AA6000, le cuivre est un élément durcissant efficace en participant à la précipitation durcissante. A une teneur minimum de 0,05%>, sa présence permet d'obtenir des caractéristiques mécaniques plus élevées. Dans l'alliage considéré, le cuivre au-delà de 0,30%> a une influence négative sur la résistance à la corrosion intergranulaire. De préférence, la teneur en cuivre est au plus de 0,20%>.
La fourchette de teneur la plus avantageuse pour le cuivre est de 0,08 à 0,15%. V et Ti : chacun de ces éléments, pour Ti à une teneur de 0,02%> au minimum, peut favoriser un durcissement par solution solide conduisant au niveau de caractéristiques mécaniques requis et chacun de ces éléments a de plus un effet favorable sur la ductilité en service et la résistance à la corrosion. Par contre, une teneur maximum de 0,10% pour Ti comme pour V, et une somme des teneurs de Ti et V Ti + V < 0,10%), sont requises notamment pour éviter les conditions de formation des phases primaires lors de la coulée verticale et améliorer les performances de formabilité. La fourchette de teneur la plus avantageuse est de 0,03 à 0,10%o pour Ti. Pour V, dans un mode de réalisation, une fourchette de V de 0,03 à 0,08 % est préférée, cependant dans un autre mode de réalisation avantageux pour des problèmes de recyclage, la teneur en V est maintenue à au plus 0,03 %.
Les autres éléments sont typiquement des impuretés dont la teneur est maintenue inférieure à 0,05 % ; le reste est l'aluminium. Parmi les impuretés on peut citer par exemple Cr, Ni, Zn, Zr et Pb. De préférence, certaines impuretés sont maintenues à des teneurs encore plus basses. Ainsi, la teneur en Ni et Zr est avantageusement maintenue inférieure à 0,03 % et la teneur en Pb est avantageusement maintenue inférieure à 0,02 %.
Le procédé de fabrication des tôles selon l'invention comporte typiquement la coulée d'une plaque, le scalpage de cette plaque, suivi de son homogénéisation avantageusement avec une vitesse de montée en température d'au moins 30°C/h jusqu'à une température de 530 à 570°C avec un maintien entre 2 et 12 h, préférentiellement entre 4 et 6 h, suivi d'un refroidissement, soit jusqu'à température ambiante, soit jusqu'à température de début de laminage à chaud.
S'ensuit, après réchauffage dans le cas d'un refroidissement jusqu'à température ambiante après homogénéisation, le laminage à chaud de la plaque en une bande d'épaisseur comprise entre 3,5 et 10 mm, le laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale typiquement comprise entre 1 et 3,5 mm, la mise en solution de la bande laminée à une température au-delà de la température de solvus de l'alliage, tout en évitant une fusion locale ou la brûlure, soit entre 540 et 570°C pendant 10 s à 30 min, la trempe à une vitesse de plus de 30°C/s et mieux d'au moins 100°C/s.
S'ensuit éventuellement un pré-revenu, c'est-à-dire un traitement à une température comprise entre 50 et 100 °C pendant une durée d'au moins 12 heures, typiquement obtenu par bobinage à une température d'au moins 60°C suivi du refroidissement à l'air libre, puis une maturation à température ambiante pendant 72 h à 6 mois.
Ainsi, les tôles selon l'invention présentent une très bonne aptitude à l'emboutissage.
Les tôles subissent ensuite les opérations de :
Mise en forme, notamment par emboutissage sous presse pour obtenir une pièce tridimensionnelle,
Traitement thermique de revenu à une température de substantiellement 205°C avec un temps de maintien compris entre 30 et 170 minutes, et de préférence entre 60 et 120 minutes, ou revenu à temps-température équivalent teq-Teq selon l'équation :
C e∑s>
Figure imgf000014_0001
f où Q vaut sensiblement 82915 J, dans laquelle T est la température instantanée exprimée en Kelvin qui évolue avec le temps t et Teq est la température de référence de 205 °C (478 K), et teq est le temps équivalent.
De préférence le revenu est réalisé à une température comprise entre 180°C et 240°C et de manière préférée entre 200°C et 230 °C avec un temps de maintien compris entre 30 et 120 minutes, le temps équivalent pour une température de référence Teq = 205 °C étant compris entre 30 et 170 minutes et de préférence entre 60 et 120 minutes. La combinaison de la composition et du procédé selon l'invention permet d'obtenir un traitement de revenu court, économiquement avantageux.
Peinture et « revenu de cuisson des peintures » ou « bake hardening » à une température de 150 à 190 °C et de préférence de 170 à 190°C pendant 15 à 30 min.
Les composants ainsi fabriqués présentent, en service, après mise en forme, revenu optimisé sur pièce, assemblage et cuisson des peintures, des propriétés mécaniques élevées, un très bon comportement au crash et une bonne tenue à la corrosion.
Ainsi un composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » élaboré par un procédé l'invention est caractérisé en ce que sa limite d'élasticité, déterminée selon la norme NF EN ISO 6892-1, est Rpo,2 > 270 MPa et de préférence > 275 MPa, et en ce que en ce que son « angle de pliage trois points » anorm, déterminé suivant la norme NF EN ISO 7438 et les procédures VDA 238-100 et VDA 239-200, est > 100° et de préférence > 105° avec anorm > - (4/3) * Rpo,2 + 507.
Avantageusement, un composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc », selon l'invention est choisie dans le groupe contenant notamment les doublures ou renforts de porte, de capot, de hayon, de pavillon, ou encore les longerons, les tabliers, les planchers de charges, les tunnels et les pieds avant, milieu et arrière, ainsi que les absorbeurs de choc ou « crashboxes ».
Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après, qui n'ont toutefois pas de caractère limitatif.
Exemples
Préambule
Le Tableau 1 récapitule les compositions chimiques nominales (% en poids) des alliages utilisés lors des essais. La teneur des autres éléments était < 0,05.
Composition Si Fe Cu Mn Mg Ti V -2,67 x Si + 2,87 Ti + V
1 0.65 0.19 0.15 0.19 0.65 0.05 0.08 1.13 0.13
2 0.63 0.15 0.15 0.20 0.65 0.05 0.08 1.19 0.13
3 0.70 0.15 0.11 0.13 0.65 0.02 - 1.00 0.02
31 0.62 0.23 0.18 0.17 0.63 0.03 - 1.21 0.03
4 0.65 0.15 0.15 0.20 0.97 0.05 0.05 1.13 0.10 5 0.71 0.15 0.15 0.20 0.71 0.02 0.01 0.97 0.03
6 0.80 0.14 0.14 0.20 0.54 0.02 - 0.73 0.02
7 0.90 0.24 0.09 0.17 0.41 0.02 - 0.47 0.02
8 0.56 0.24 0.09 0.13 0.53 0.02 - 1.37 0.02
9 0.67 0.30 0.09 0.15 0.64 0.02 - 1.08 0.02
10 1.00 0.24 0.17 0.17 0.60 0.02 - 0.20 0.02
Tableau 1
Les plaques de laminage de ces différents alliages ont été obtenues par coulée semi-continue verticale. Après scalpage, ces différentes plaques ont subi un traitement thermique d'homogénéisation et/ou de réchauffage dont les températures sont données dans le Tableau 2.
Les plaques de composition 1, 2, 7 et 8 ont subi un traitement d'homogénéisation à 530°C consistant en une montée en température à une vitesse de 30°C/h jusqu'à 530°C et un maintien de l'ordre de 3 heures à cette température. Cette étape d'homogénéisation est directement suivie d'une étape de laminage à chaud.
Les plaques de composition 3, 31 et 9 ont subi un traitement d'homogénéisation à 540°C consistant en une montée en température à une vitesse de 30°C/h jusqu'à 540°C, un maintien de l'ordre de 5 heures à cette température directement suivi du laminage à chaud.
Les plaques de composition 4, 5 et 6 ont subi une homogénéisation consistant en une montée à 570°C avec maintien minimum de 2 heures à cette température, directement suivi du laminage à chaud.
La plaque de composition 10 a subi un traitement d'homogénéisation à 550°C consistant en une montée en température à une vitesse de 30°C/h jusqu'à 550°C, un maintien de l'ordre de 4 heures à cette température. Cette étape d'homogénéisation est directement suivie d'une étape de laminage à chaud.
L'étape suivante de laminage à chaud a lieu sur un laminoir réversible suivi selon les cas d'un laminoir tandem à chaud à 4 cages jusqu'à une épaisseur comprise entre 3,5 et 10 mm. Les épaisseurs de sortie de laminage à chaud des cas testés sont données dans le Tableau 2. Elle est suivie d'une étape de laminage à froid qui permet d'obtenir des tôles d'épaisseurs comprises entre 2.0 et 2.5 mm. Les épaisseurs de sortie de laminage à froid des cas testés sont données dans le Tableau 2 ci-après.
Les étapes de laminage sont suivies d'une étape de traitement thermique de mise en solution et trempe. La mise en solution se fait à une température au-delà de la température de solvus de l'alliage, tout en évitant la brûlure. La tôle mise en solution est ensuite trempée à une vitesse minimum de 30°C/s. Pour les essais 18 à 21 on a utilisé une vitesse minimum de 100 °C/s.
Pour tous les cas, excepté les cas 2, 4, 5 et 6, cette étape se fait en four à passage par élévation de la température du métal jusqu'à température de mise en solution en moins d'une minute environ directement suivie par une trempe.
Pour les cas 2, 4, 5 et 6, la mise en solution se fait en four à air avec introduction en four chaud, atteinte de la température de mise en solution en moins de 20 minutes et maintien à cette température pendant 30 minutes.
Cette étape de mise en solution est suivie d'une trempe par immersion dans de l'eau à 85°C.
La trempe est suivie d'un traitement thermique de pré-revenu, destiné à améliorer les performances du durcissement lors de la cuisson des peintures.
Pour tous les cas testés, excepté les cas 2, 4, 5 et 6, cette étape est réalisée par bobinage à une température d'au moins 60°C suivi du refroidissement à l'air libre. Pour les cas 2, 4, 5 et 6, le pré-revenu est obtenu par immersion et maintien des tôles dans l'eau à 85°C pendant 8 heures. Dans tous les cas une maturation à température d'au moins 72 heures a ensuite été réalisée.
Epaisseur Epaisseur
Composition Homogénéisation
sortie LAC sortie LAF
1 530°C 10 mm 2.5 mm
2 530°C 10 mm 2.5 mm
3 540°C 6.3 mm 2.0 mm
31 540°C 4.3 mm 2.5 mm
4 570°C 10 mm 2.5 mm
5 570°C 10 mm 2.5 mm 6 570°C 10 mm 2.5 mm
7 530°C 6.3 mm 2.0 mm
8 530°C 4.3 mm 2.0 mm
9 540°C 10 mm 2.5 mm
10 550°C 5.0 mm 2.3 mm
Tableau 2
Les étapes de mise en solution, trempe, pré-revenu et maturation à température ambiante pendant un temps minimum de 72 h sont suivies de traitements thermiques, dits revenus, tels que décrits dans le Tableau 3. Les revenus C, D, E, H et I ont des conditions selon l'invention.
Après revenu, l'ensemble des cas testés subissent un traitement thermique de simulation de la cuisson des peintures en four à air avec introduction en four chaud et maintien pendant 20 min à 185°C.
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Tableau 3 Essais de traction
Les essais de traction à température ambiante ont été réalisés selon la norme NF EN ISO 6892-1 avec des éprouvettes non proportionnelles, de géométrie largement utilisée pour les tôles, et correspondant au type d'éprouvette 2 du tableau B. l de l'annexe B de ladite norme. Ces éprouvettes possèdent notamment une largeur de 20 mm et une longueur calibrée de 120 mm.
Les résultats de ces essais de traction en termes de limite conventionnelle d'élasticité à 0.2%, Rpo,2, et mesurée sur les tôles telles que fabriquées selon les conditions décrites au paragraphe précédent, sont donnés dans le Tableau 4 ci-après.
Les protocoles préconisent pour les pièces mises en forme à l'état métallurgique T4 puis subissant le traitement de cuisson des peintures, de réaliser entre la maturation et la cuisson des peintures une pré-déformation en traction contrôlée de 2%, pour simuler la mise en forme par emboutissage.
On peut donc considérer que les caractéristiques en traction des tôles à l'état métallurgique final ne sont pas significativement différentes de celles du composant embouti fini.
Evaluation du comportement au crash
Le comportement au crash peut être estimé par un « test de pliage trois points » suivant la norme NF EN ISO 7438 et les procédures VDA 238-100 et VDA 239- 200. Le dispositif de pliage est tel que présenté en figure 1.
On effectue le « pliage trois points » proprement dit en utilisant un poinçon B de rayon r = 0.4 mm, la tôle étant supportée par deux rouleaux R, l'axe de pliage étant parallèle à la direction de laminage. Les rouleaux ont un diamètre de 30 mm et la distance entre les axes des rouleaux est égale à 30 + 2t mm, t étant l'épaisseur de la tôle testée T.
Au début de l'essai le poinçon est mis en contact avec la tôle avec une pré-force de 30 Newtons. Une fois le contact établi, le déplacement du poinçon est indexé à zéro. Le test consiste alors à déplacer le poinçon de manière à effectuer le « pliage trois points » de la tôle.
Le test s'arrête lorsqu'une micro fissuration de la tôle conduit à une chute de force sur le poinçon d'au moins 30 Newtons, ou bien lorsque le poinçon s'est déplacé de 14,2 mm, ce qui correspond à la course maximale autorisée.
A la fin du test, l'échantillon de tôle se retrouve donc plié comme illustré en figure 2. La ductilité en service s'évalue alors par la mesure de l'angle de pliage a. Plus l'angle a est élevé, meilleure est l'aptitude au crash ou au pliage de la tôle. Afin de pouvoir comparer les performances des cas testés l'ensemble des angles mesurés pour différentes épaisseurs de tôle sont ramenés à la valeur anorm, selon la formule ci-a rès telle ue décrite dans la norme VDA 239-200 :
Figure imgf000020_0001
avec :
anorm '■ angle normalisé,
am : angle mesuré,
tref : épaisseur de référence,
tm : épaisseur mesurée.
Les résultats de ces essais de pliage sur les tôles telles que fabriquées selon les conditions décrites au paragraphe « Préambule », sont donnés dans le Tableau 4 ci- après, selon le même ordre que dans le Tableau 3. L'épaisseur de référence était de 2,0 mm.
Les protocoles préconisent pour les pièces mises en forme à l'état métallurgique T4 puis subissant le traitement de cuisson des peintures, de réaliser entre la maturation et la cuisson des peintures une pré-déformation en traction contrôlée de 10%, pour simuler la mise en forme par emboutissage. Dans le cas du traitement de revenu après maturation selon l'invention, cette pré-déformation n'a pas d'effet très significatif sur les caractéristiques du composant final.
On peut donc considérer que le comportement en pliage des tôles à l'état métallurgique final n'est pas signifîcativement différent de celui du composant embouti fini. Numéro p0.2 cmorm
Composition
d'essai [MPa] Π
1 1 285 72
2 1 263 98
3 1 235 113
4 2 287 109
5 3 265 93
6 4 312 98
7 5 295 103
8 6 275 99
9 7 249 70
10 7 218 93
11 8 249 91
12 8 238 99
13 9 268 61
14 9 209 103
14 10 290 75
16 10 239 91
17 31 261 94
18 31 295 97
19 31 305 110
20 31 295 120
21 31 275 160
Tableau 4 En combinant le revenu préféré et la compositionselon l'invention, selon les essais 19, 20 et 21, on atteint un compromis remarquable de propriété soit une limite d'élasticité Rpo,2 > 270 MPa et de préférence > 275 MPa, ainsi qu'un angle de pliage anorm sans fissure > 100° et de préférence > 105° et anorm > - (4/3) * Rpo,2 + 507, ce qui est illustré par la Figure 3. Ainsi les exemples 4 et 7 permettent d'obtenir une limite d'élasticité Rpo,2 > 270 MPa ainsi qu'un angle de pliage anorm sans fissure > 100° mais ne permettent pas d'obtenir et qu'un angle de pliage anorm sans fissure anorm > - (4/3) * Rp0,2 + 507.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d'un composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » en alliage d'aluminium destiné à absorber de l'énergie de façon irréversible lors d'un choc, comprenant les étapes suivantes :
Fabrication d'une tôle ou bande d'épaisseur comprise entre 1 et 3,5 mm en alliage de composition (% en poids) :
Si : 0,60 - 0,85 ; Fe : 0,05 - 0,25 ; Cu : 0,05 - 0,30 ; Mn : 0,05 - 0,30 ; Mg : 0,50 - 1,00 ; Ti : 0,02 - 0,10 ; V : 0,00 - 0,10 avec Ti + V < 0,10 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, avec Mg < -2,67 x Si + 2,87,
Traitement thermique de mise en solution, trempe et pré-revenu éventuel à une température comprise entre 50 et 100 °C pendant une durée d'au moins 12 heures, typiquement obtenu par bobinage à une température d'au moins
60°C suivi du refroidissement à l'air libre,
Maturation à température ambiante typiquement entre 72 heures et 6 mois, Mise en forme par emboutissage sous presse pour obtenir une pièce tridimensionnelle,
- Revenu sur pièce à une température de 205°C avec un temps de maintien compris entre 30 et 170 minutes ou revenu à temps-température équivalent avec un temps de maintien équivalent teq compris entre 30 et 170 minutes, à la température Teq de 205 °C, selon l'équation : C «sep i— i àt = j„ εχ | -^- ï àt où Q vaut sensiblement 82915 J, dans laquelle T est la température instantanée exprimée en Kelvin qui évolue avec le temps t et Teq est la température de référence de 205 °C (478 K), et teq est le temps équivalent,
Peinture et « revenu de cuisson des peintures » ou « bake hardening » à une température de 150 à 190 °C et de préférence de 170 à 190°C pendant 15 à 30 min.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le temps de maintien du revenu à 205 °C est compris entre 60 et 120 minutes ou à temps-température équivalent.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la teneur en Si de la tôle ou bande est comprise entre 0,60 et 0,75.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la teneur en Fe de la tôle ou bande est comprise entre 0,05 et 0,20.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la teneur en Cu de la tôle ou bande est au plus de 0,20 et de préférence comprise entre 0,08 et 0,15.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la teneur en Mn de la tôle ou bande est comprise entre 0,10 et 0,15.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la teneur en Mg de la tôle ou bande est comprise entre 0,60 et 0,70.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la teneur en Ti de la tôle ou bande est comprise entre 0,03 et 0,10.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la teneur en V de la tôle ou bande est comprise entre 0,03 et 0,08.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que la fabrication de la tôle ou bande avant emboutissage comporte les étapes suivantes :
- la coulée typiquement semi-continue verticale d'une plaque et son scalpage,
- l'homogénéisation de cette plaque à une température de 530 à 570°C avec un maintien entre 2 et 12 h, préférentiellement entre 4 et 6 h, - le laminage à chaud de la plaque en une bande d'épaisseur comprise entre 3,5 et 10 mm,
- le laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale.
11. Composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc » élaboré par un procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que sa limite d'élasticité, déterminée selon la norme NF EN ISO 6892-1, est Rp0,2 > 270 MPa et de préférence > 275 MPa, et en ce que en ce que son « angle de pliage trois points » anorm, déterminé suivant la norme NF EN ISO 7438 et les procédures VDA 238-100 et VDA 239-200, est > 100° et de préférence > 105° avec anorm > - (4/3) * Rpo,2 + 507.
12. Composant embouti de carrosserie ou structure de caisse automobile encore appelée « caisse en blanc », selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle est choisie dans le groupe contenant notamment les doublures ou renforts de porte, de capot, de hayon, de pavillon, ou encore les longerons, les tabliers, les planchers de charges, les tunnels et les pieds avant, milieu et arrière, ainsi que les absorbeurs de choc ou « crashboxes ».
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