EP1481106A1 - Tole ou ba 0nde en alliage al-mg pour la fabrication de pieces pliees a faible rayon de pliage - Google Patents

Tole ou ba 0nde en alliage al-mg pour la fabrication de pieces pliees a faible rayon de pliage

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EP1481106A1
EP1481106A1 EP03735766A EP03735766A EP1481106A1 EP 1481106 A1 EP1481106 A1 EP 1481106A1 EP 03735766 A EP03735766 A EP 03735766A EP 03735766 A EP03735766 A EP 03735766A EP 1481106 A1 EP1481106 A1 EP 1481106A1
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EP
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sheet
mpa
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strip
thickness
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Jean-Luc Hoffmann
Bruce Morere
Fabrice Helfer
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Constellium Issoire SAS
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Pechiney Rhenalu SAS
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    • 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
    • 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
    • C22F1/047—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 with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to the manufacture of folded parts with a small bending radius, and most often stamped, intended in particular for automobile construction, from sheets or strips of aluminum alloy of the aluminum-magnesium type, that is to say - to say of the 5000 series according to the nomenclature of the Aluminum Association.
  • Aluminum-magnesium alloys with more than 4% magnesium are widely used in automobile construction for parts other than body skins, for example reinforcements or structural parts, possibly shaped by stamping or bending. They allow good mechanical resistance without requiring, like the skin alloys of the 6000 series, heat treatment for dissolution and quenching. Mention may be made, for example, of alloys 5019, 5182 and 5083, the composition of which (% by weight) registered with the Aluminum Association is indicated in Table 1:
  • stamped and folded parts requires a material having sufficient formability to produce the stamped parts of the parts, and a folding ability that is all the better when one wishes to obtain very small folding radii, typically of the order of 1. 'sheet thickness. This ability must be as good in the rolling direction as in the pe ⁇ endicular direction.
  • the sheet or strip must have as high a mechanical resistance as possible so as to reduce the thickness as much as possible, and thus obtain the optimal lightening effect resulting from the use of aluminum compared to the steel.
  • the object of the invention is to provide sheets and strips of Al-Mg alloy enabling these requirements to be satisfied.
  • the subject of the invention is a sheet or strip of aluminum alloy with a thickness of between 1 and 5 mm, intended for the manufacture of stamped and bent parts with a small bending radius, of composition (% by weight):
  • the invention also relates to a sheet or strip of preferential composition: Si ⁇ 0.3 Fe: 0.2 - 0.4 Mn: 0.3 - 0.45 Mg: 4.5 - 5.5 Cr ⁇ 0 , 04 - 0.1 Cu ⁇ 0.1 Zn ⁇ 0.1 other elements ⁇ 0.05 each and ⁇ 0.15 in total, remains aluminum, and, for this particular composition, Ro > 2 directions T> 240 MPa, At 8 o> 15% and R m - R 0.2 > 90 MPa.
  • It also relates to a process for manufacturing such a sheet or strip, comprising the casting of a plate of the above composition, its hot rolling up to a thickness e c , cold rolling to a final thickness ef between 70 and 40% of e c , and a restorative annealing at a temperature between
  • Example 1 The single figure illustrates the results of Example 1 in yield strength Ro > 2 and bending radius.
  • the invention is based on the combination of the close selection of an Al-Mg alloy composition with more than 4% Mg, and a particular manufacturing range to obtain a compromise of properties, in particular between the limit of elasticity, elongation and folding ability, particularly favorable for the production of stamped and bent parts with a small bending radius.
  • the alloys according to the invention are alloys with more than 4% of Mg like the alloys 5182, 5019 or 5083 mentioned above, and preferably with more than 4.5%.
  • Magnesium contributes to mechanical resistance and its content can be adjusted according to the mechanical resistance desired. Above 5.5% of Mg, the alloy becomes more difficult to cast and to process.
  • a particularly well-suited composition is as follows: Si ⁇ 0.3 Fe: 0.2 - 0.4 Mn -. 0.3 - 0.45 Mg: 4.5 - 5.5 Cu ⁇ 0.1 l Cr: 0.04 - 0.1
  • the control of the total content of manganese and chromium is an important point to obtain all the desired properties.
  • a content greater than 0.7% improves the elastic limit without reducing the elongation too much, but, surprisingly, gives a poor bending radius.
  • the method of manufacturing the strips according to the invention comprises the casting of a plate of the alloy considered, its hot rolling to obtain a strip of thickness e c , then its cold rolling to the final thickness e f , between 1 and 5 mm.
  • the final thickness ef must be between 40 and 10% of the thickness of the hot-rolled strip e c . If the cold rolling rate is insufficient, the desired yield strength cannot be reached. If it is too large, the work hardening coefficient n becomes too low and the formability is insufficient.
  • the cold rolled strip is then subjected to a restorative annealing at a temperature between 180 and 280 ° C.
  • the control of this temperature is important: an absence of restoration or a too low temperature harms the elongation. Conversely, an annealing temperature above 280 ° C leads to a recrystallized state, with insufficient mechanical strength.
  • An essential characteristic of the method of manufacturing strips and sheets according to the invention is the absence of re-hardening after the restoration annealing, either by cold rolling or by tensioning under tension. Admittedly, such a work hardening would increase the elastic limit, but would reduce too much the elongation and the coefficient of work hardening, which would be unfavorable to formability and to the ability to bend. In addition, the gain in elastic limit is lost very quickly during the curing treatment of the paints, while for restored and not rewashed products, the loss of mechanical resistance to the curing of the paints is more reduced.
  • Another advantage of the absence of work hardening, in particular by leveling, after restoration is to obtain sheets and strips having a low anisotropy, with a difference between the elastic limits in the directions L and T of less than 15 MPa , and most often less than 10 MPa ..
  • the sheets and strips according to the invention are particularly well suited to the production of stamped and folded parts with a small bending radius, in particular for the automotive industry. 180 ° bending radii are obtained which are less than the thickness of the sheet or strip, or even less than 80% of this thickness.
  • the work hardening coefficient n is greater than 0.10, which contributes to the rapid increase in the mechanical resistance of the parts during their shaping, and therefore to the use of smaller thicknesses.
  • the reinforcements of anti-intrusion sashes which include stamped and folded parts and which are subjected to the baking treatment of paints, in particular cataphoresis layers, may be mentioned.
  • the loss of yield strength remains below 20 MPa.
  • Another advantageous use of the sheets and strips according to the invention is the manufacture of jacks, which allow a significant weight gain compared to steel jacks.
  • the plates were hot rolled to obtain strips 5 mm thick, then cold rolled to 3 mm, ie 60% of the thickness of the hot strip.
  • the strips underwent restorative annealing at 200 ° C.
  • the elastic limit Ro j2 sense L, the elongation at break A 8 o according to standard NF EN 10002-1 relating to tensile tests on metallic materials, and the radius of folding at 180 ° were measured. The results are shown in Table 2: Table 2
  • FIG. 1 shows the compromise between the elastic limit Ro, 2 and the folding radius.
  • a radius of 1.5 mm is considered acceptable for an R 0j2 of 200 MPa and 2.5 mm for a Ro ; 2 of 280 MPa.
  • the points corresponding to the 5 alloys according to the invention are to the left of the right, and show a good compromise between the two properties.
  • the points corresponding to alloys F and G are to the right of the right and therefore do not present an acceptable compromise.
  • a 20 min heat treatment was carried out respectively at 170 ° C, 185 ° C and 200 ° C, simulating baking treatments of the paints of a motor vehicle, on sheet metal samples of Example 1 made of alloy C and E, and on a sample of the alloy C having undergone in addition a work hardening by planing by traction.
  • the mechanical characteristics were measured in the long direction, namely the tensile strength R m , the elastic limit R 0j2 and the elongation Ago, before and after heat treatment.
  • the results are shown in Tables 3 (for alloy C restored), 4 (for E) and 5 (for C hardened).
  • the thickness of the hot rolling outlet was varied, the final thickness remaining at 3 mm, so that the ratio ⁇ f / e c was varied between 70%> and 40%.
  • the final annealing temperature was also varied between 200 and 320 ° C. No work hardening after the final annealing was carried out. In each case, the tensile strength Rm, the elastic limit Ro , 2 , the elongation A and the work hardening coefficient n were measured. The results, corresponding to the average of 5 measurements, are shown in Table 7:

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Description

Tôle ou bande en alliage Al-M pour la fabrication de pièces pliées à faible rayon de pliage
Domaine de l'invention
L'invention concerne la fabrication de pièces pliées à faible rayon de pliage, et le plus souvent embouties, destinées notamment à la construction automobile, à partir de tôles ou bandes en alliage d'aluminium du type aluminium-magnésium, c'est-à- dire de la série 5000 selon la nomenclature de l'Aluminum Association.
Etat de la technique
Les alliages aluminium-magnésium à plus de 4% de magnésium sont largement utilisés en construction automobile pour des pièces autres que les peaux de carrosserie, par exemple des renforts ou des pièces de structure, éventuellement mises en forme par emboutissage ou pliage. Ils permettent une bonne résistance mécanique sans nécessiter, comme les alliages de peau de la série 6000, de traitement thermique de mise en solution et trempe. On peut citer, par exemple, les alliages 5019, 5182 et 5083, dont la composition (% en poids) enregistrée à l'Aluminum Association est indiquée au tableau 1 :
Tableau 1
Problème posé La fabrication de pièces embouties et pliées nécessite un matériau présentant une formabilité suffisante pour réaliser les parties embouties des pièces, et une aptitude au pliage d'autant meilleure qu'on souhaite obtenir des rayons de pliage très faibles, typiquement de l'ordre de l'épaisseur de la tôle. Cette aptitude doit être aussi bonne dans le sens du laminage que dans le sens peφendiculaire. La tôle ou la bande doit présenter une résistance mécanique aussi élevée que possible de manière à réduire au maximum l'épaisseur, et d'obtenir ainsi l'effet d'allégement optimal résultant de l'utilisation de l'aluminium par rapport à l'acier.
Par ailleurs, les pièces de véhicules automobiles sont soumises à un traitement thermique lors de la cuisson des peintures de la carrosserie, qui se fait à une température comprise entre 150 et 200°C pendant 15 à 30 mn. Il faut donc tenir compte de la perte éventuelle de résistance mécanique au cours de cette opération, et il est souhaitable que cette dégradation soit la plus faible possible. L'invention a pour but des tôles et bandes en alliage Al-Mg permettant de satisfaire ces exigences.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet une tôle ou bande en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, destinée à la fabrication de pièces embouties et pliées à faible rayon de pliage, de composition (% en poids) :
Si < 0,4 Fe < 0,4 Cu < 0,4 Mn + Cr : 0,3 - 0,7 Mg : 4,0 - 5,5 Zn < 1 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, présentant une limite d'élasticité Ro,2 sens T > 215 MPa, un allongement A o > 15%, et une différence Rm - R0, > 80 MPa. De préférence, on a Si < 0,3 Fe : 0,2 - 0,4 Mn : 0,3 - 0,45 Mg : 4,5 - 5,5 Cr < 0,l Cu < 0,l Zn < 0,l .
L'invention a également pour objet une tôle ou bande de composition préférentielle : Si < 0,3 Fe : 0,2 - 0,4 Mn : 0,3 - 0,45 Mg : 4,5 - 5,5 Cr < 0,04 - 0,1 Cu < 0,1 Zn < 0,1 autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, et, pour cette composition particulière, Ro>2 sens T > 240 MPa, A8o > 15% et Rm - R0,2 > 90 MPa.
Elle a également pour objet un procédé de fabrication d'une telle tôle ou bande, comportant la coulée d'une plaque de la composition ci-dessus, son laminage à chaud jusqu'à une épaisseur ec, le laminage à froid jusqu'à une épaisseur finale ef comprise entre 70 et 40% de ec, et un recuit de restauration à une température comprise entre
180 et 280°C sans écrouissage ultérieur.
Description des figures
La figure unique illustre les résultats de l'exemple 1 en limite d'élasticité Ro>2 et rayon de pliage.
Description de l'invention
L'invention repose sur la combinaison de la sélection étroite d'une composition d'alliage Al-Mg à plus de 4% de Mg, et d'une gamme de fabrication particulière pour obtenir un compromis de propriétés, notamment entre la limite d'élasticité, l'allongement et l'aptitude au pliage, particulièrement favorable à la réalisation de pièces embouties et pliées avec un faible rayon de pliage.
Les alliages selon l'invention sont des alliages à plus de 4% de Mg comme les alliages 5182, 5019 ou 5083 mentionnés plus haut, et de préférence à plus de 4,5%. Le magnésium contribue à la résistance mécanique et on peut en ajuster la teneur en fonction de la résistance mécanique désirée. Au-delà de 5,5% de Mg, l'alliage devient plus difficile à couler et à mettre en œuvre. Une composition particulièrement bien adaptée est la suivante : Si < 0,3 Fe : 0,2 - 0,4 Mn -. 0,3 - 0,45 Mg : 4,5 - 5,5 Cu < 0,l Cr : 0,04- 0,1 Le contrôle de la teneur totale en manganèse et chrome est un point important pour obtenir l'ensemble des propriétés souhaitées. Une teneur inférieure à 0,3%> améliore l'allongement, mais diminue la limite d'élasticité sans pour autant améliorer l'aptitude au pliage. Une teneur supérieure à 0,7% améliore la limite d'élasticité sans trop réduire l'allongement, mais, de manière suφrenante, donne un mauvais rayon de pliage.
Le procédé de fabrication des bandes selon l'invention comporte la coulée d'une plaque de l'alliage considéré, son laminage à chaud pour obtenir une bande d'épaisseur ec, puis son laminage à froid jusqu'à l'épaisseur finale ef, comprise entre 1 et 5 mm. Pour obtenir les propriétés désirées, l'épaisseur finale ef doit être comprise entre 40 et 10% de l'épaisseur de la bande laminée à chaud ec. Si le taux de laminage à froid est insuffisant, on ne peut pas atteindre la limite d'élasticité souhaitée. S'il est trop important, le coefficient d'écrouissage n devient trop faible et la formabilité est insuffisante.
La bande laminée à froid subit ensuite un recuit de restauration à une température comprise entre 180 et 280°C. Le contrôle de cette température est important : une absence de restauration ou une température trop faible nuit à l'allongement. Inversement, une température de recuit supérieure à 280°C conduit à un état recristallisé, avec une résistance mécanique insuffisante.
Une caractéristique essentielle du procédé de fabrication des bandes et tôles selon l'invention est l'absence de réécrouissage après le recuit de restauration, soit par laminage à froid, soit par planage sous tension. Certes, un tel écrouissage augmenterait la limite d'élasticité, mais réduirait trop l'allongement et le coefficient d'écrouissage, ce qui serait défavorable à la formabilité et à l'aptitude au pliage. De plus, le gain en limite d'élasticité est perdu très rapidement lors du traitement de cuisson des peintures, alors que pour les produits restaurés et non réécrouis, la perte de résistance mécanique à la cuisson des peintures est plus réduite. Un autre avantage de l'absence d'écrouissage, notamment par planage, après restauration est d'obtenir des tôles et bandes présentant une faible anisotropie, avec une différence entre les limites d'élasticité dans les sens L et T de moins de 15 MPa, et le plus souvent de moins de 10 MPa..
Pour éviter de ré-écrouir le métal après restauration, il est nécessaire de bien maîtriser la planéité de la bande lors du laminage à froid, et surtout lors du parachèvement, notamment lors du refendage de bandes relativement étroites d'épaisseur assez forte, où il faut éviter les déformations du type « lame de sabre ». Les tôles et bandes selon l'invention sont particulièrement bien adaptées à la fabrication de pièces embouties et pliées à faible rayon de pliage, notamment pour l'industrie automobile. On obtient des rayons de pliage à 180° inférieurs à l'épaisseur de la tôle ou de la bande, voire inférieurs à 80% de cette épaisseur. Le coefficient d'écrouissage n est supérieur à 0,10, ce qui contribue à l'augmentation rapide de la résistance mécanique des pièces lors de leur mise en forme, et donc à l'utilisation d'épaisseurs plus faibles. On peut mentionner à titre d'exemple d'utilisation les renforts d'ouvrants antiintrusion qui comportent des parties embouties et pliées, et qui sont soumis au traitement de cuisson des peintures, notamment des couches de cataphorèse. Pour un traitement de 20 mn à 200°C, la perte de limite d'élasticité reste inférieure à 20 MPa. Une autre utilisation intéressante des tôles et bandes selon l'invention est la fabrication de crics, qui permettent un gain de poids important par rapport aux crics en acier.
Exemples
Exemple 1
On a coulé des plaques en 7 alliages différents A à G, les alliages A à E ayant une composition selon l'invention, et les alliages F et G une composition hors invention. Les compositions (% en poids) sont indiquées au tableau 1 :
Tableau 1
Les plaques ont été laminées à chaud pour obtenir des bandes d'épaisseur 5 mm, puis laminées à froid jusqu'à 3mm, soit 60% de l'épaisseur de la bande à chaud. Les bandes ont subi un recuit de restauration à 200°C. On a mesuré la limite d'élasticité Roj2 sens L, l'allongement à la rupture A8o selon la norme NF EN 10002-1 relative aux essais de traction sur matériaux métalliques, et le rayon de pliage à 180°. Les résultats sont indiqués au tableau 2 : Tableau 2
On constate que l'alliage à Mn élevé H a un allongement < 15%» et un rayon de pliage limite assez élevé, supérieur à 80%» de l'épaisseur. L'alliage F à bas Mn a aussi un rayon de pliage assez élevé. On a représenté à la figure 1 le compromis entre la limite d'élasticité Ro,2 et le rayon de pliage. On considère comme acceptable un rayon de 1,5 mm pour un R0j2 de 200 MPa et de 2,5 mm pour un Ro;2 de 280 MPa. Les points correspondant aux 5 alliages selon l'invention sont à gauche de la droite, et montrent un bon compromis entre les deux propriétés. Les points correspondant aux alliages F et G sont à droite de la droite et ne présentent donc pas un compromis acceptable.
Exemple 2
On a effectué un traitement thermique de 20 mn respectivement à 170°C, 185°C et 200°C, simulant des traitements de cuisson des peintures d'un véhicule automobile, sur des échantillons de tôle de l'exemple 1 en alliage C et E, et sur un échantillon de l'alliage C ayant subi en plus un écrouissage par planage par traction. On a mesuré les caractéristiques mécaniques dans le sens long, à savoir la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité R0j2 et l'allongement Ago, avant et après traitement thermique. Les résultats sont indiqués aux tableaux 3 (pour l'alliage C restauré), 4 (pour E) et 5 (pour C écroui). Tableau 3 (C non écroui)
Tableau 4 (E non écroui)
Tableau 5 (C écroui)
On constate que la chute de Ro,2 due au traitement thermique est beaucoup plus faible pour les échantillons non écrouis que pour l'échantillon écroui.
Exemple 3
Sur les échantillons C et E de l'exemple 1, on a mesuré les caractéristiques mécaniques Rm, Ro>2 et A8o dans le sens long, à 45° et dans le sens travers. Les résultats sont indiqués au tableau 6 : Tableau 6
On constate que les caractéristiques mécaniques, notamment la limite d'élasticité, varient très peu en fonction du sens de la mesure.
Exemple 4
On a coulé des plaques en alliage de composition :
On a fait varier l'épaisseur de sortie du laminage à chaud, l'épaisseur finale restant à 3 mm, de sorte qu'on a fait varier le rapport βf/ec entre 70%> et 40%. On a également fait varier la température de recuit final entre 200 et 320°C. Aucun écrouissage postérieur au recuit final n'a été effectué. On a mesuré dans chacun des cas la résistance à la rupture Rm, la limite d'élasticité Ro,2, l'allongement A et le coefficient d'écrouissage n. Les résultats, correspondant à la moyenne de 5 mesures, sont indiqués au tableau 7 :
Tableau 7
On constate une chute importante de Rm et surtout de Ro,2 lorsque la température du recuit final passe de 260 à 290°C, ce qui correspond au passage à la température de recristallisation. Par ailleurs, à température de restauration donnée, on constate que, lorsque le rapport ef/ec diminue, c'est-à-dire lorsque le laminage à froid est plus important, R0,2 augmente, mais l'allongement et le coefficient d'écrouissage n diminuent.

Claims

Revendications
1. Tôle ou bande en alliage d'aluminium d'épaisseur comprise entre 1 et 5 mm, destinée à la fabrication de pièces embouties et pliées à faible rayon de pliage, de composition (%> en poids) :
Si < 0,4 Fe < 0,4 Cu < 0,4 Mn + Cr : 0,3 - 0,7 Mg : 4,0 - 5,5 Zn < l autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium, présentant une limite d'élasticité sens T R0>2 > 215 MPa, un allongement A8o > 15%, et une différence Rm - R0>2 > 80 MPa.
2. Tôle ou bande selon la revendication 1, caractérisée en ce que la teneur en fer est comprise entre 0,2 et 0,4%.
3. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la teneur en manganèse est comprise entre 0,3 et 0,45%o, et la teneur en chrome inférieure à 0,1%.
4. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la teneur en magnésium est comprise entre 4,5 et 5,5%>.
5. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la composition de l'alliage est : Si < 0,3 Fe : 0,2 - 0,4 Mn : 0,3 - 0,45
Cr : 0,04 - 0,1 Mg : 4,5 - 5,5 Cu < 0,l Zn < 0,l, autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.
6. Tôle ou bande selon la revendication 5, caractérisée en ce que Ro,2 sens T > 240 MPa, A80 > 15% et Rm - R0>2 > 90 MPa.
7. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que son rayon de pliage à 180° est inférieur à son épaisseur.
8. Tôle ou bande selon la revendication 7, caractérisée en ce que son rayon de pliage est inférieur à 80%> de son épaisseur.
9. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la différence entre la limite d'élasticité sens L et sens T est inférieure à 15 MPa.
10. Tôle ou bande selon la revendication 9, caractérisée en ce que la différence entre la limite d'élasticité sens L et sens T est inférieure à 10 MPa.
11. Tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la différence entre la limite d'élasticité avant et après un traitement de cuisson de peinture de 20 mn à 185°C est inférieure à 20 MPa.
12. Procédé de fabrication d'une tôle ou bande selon l'une des revendications 1 à 11, comportant la coulée d'une plaque, son laminage à chaud jusqu'à une épaisseur ec, le laminage à froid jusqu'à une épaisseur finale ef comprise entre 70 et 40%» de ec, et un recuit de restauration à une température comprise entre 180 et 280°C sans écrouissage ultérieur.
13. Utilisation de tôles ou bandes selon l'une des revendications 1 à 11 pour la fabrication de renforts d'ouvrant de véhicule automobile.
14. Utilisation de tôles ou bandes selon l'une des revendications 1 à 11 pour la fabrication de crics.
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