PROCEDE D'AMELIORATION DE L'EMBOUTISSABILITE D'UNE TOLE OU D'UN FLAN DE TOLE METALLIQUE La présente invention concerne tin procédé d'amélioration de l'emboutissabilité de tôles ou flans de tôles métalliques notam- ment en acier et la mise en oeuvre de ce procédé soit lors de l'emboutissage, soit préalablement par traitement de la tôle des¬ tinée à être emboutie. Elle concerne aussi la tôle ainsi traitée.

Le principe bien connu de l'emboutissage consiste à déformer plastiquement un flan de tôle maintenu à sa périphérie entre une matrice et un serre-flan au moyen d'un poinçon, la matrice et le poinçon ayant une configuration déterminée en fonction de la forme désirée du produit embouti.

Le poinçon, la matrice et le serre-flan qui sont les organes mis au contact du flan lors de l'opération d'emboutissage, seront appelés dans leur ensemble par la suite outils d'emboutissage.

Dans les procédés de mise en forme par déformation plastique, tels que l'emboutissage, le coefficient de frottement tôle-outil joue un rôle important. Il peut limiter la capacité de déformation de la tôle, et conduire à des ruptures du flan s'il est trop élevé.

La lubrification, l'état de surface et la nature des outils sont des paramètres sur lesquels on peut agir pour diminuer le frottement.

Lors de l'emboutissage, la surface de contact de ces outils avec le flan est lubrifiée, généralement par un lubrifiant liquide ou huile d'emboutissage pour faciliter la déformation du flan, réduire le coefficient de frottement entre flan et outils et limi¬ ter ainsi les risques de grippage et de rupture du flan.

Toutefois cette lubrification n'est pas toujours suffisante pour éviter le grippage et la rupture du flan de tôle, notamment lorsque la pression d'emboutissage est importante.

Pour résoudre ces problèmes, il a déjà été proposé de réali¬ ser un traitement de surface de la tôle à emboutir. On connaît en particulier des procédés de conversion chimique de la surface de la tôle, tels que la phosphatation, qui permettent d'abaisser le coefficient de frottement tôle-outil et favorisent ainsi la mise

en forme du flan. Un tel traitement est toutefois coûteux, et ne peut être appliqué à toutes les tôles destinées à être embouties.

Un inconvénient de ces procédés réside dans le fait qu'ils provoquent une modification des caractéristiques chimiques d'une couche de métal à la surface de la tôle. Aussi minime soit-elle, cette couche persistant en surface après mise en forme de la pièce peut s'avérer gênante pour l'utilisation de la pièce obtenue. Il peut notamment y avoir incompatibilité entre les caractéristiques de surface obtenues et des traitements chimiques souhaités après mise en forme. D'autres inconvénients quant à l'utilisation des pièces après mise en forme, peuvent aussi être rédhibitoires. Par exemple, la phosphatation des tôles constitue une gêne importante lors du soudage des pièces qui y ont été soumises.

Un autre inconvénient de ces procédés réside dans la lourdeur et le coût des installations industrielles nécessaires pour ces traitements de surface. Une installation de phosphatation de tôles est coûteuse autant par l'importance du matériel constitutif, que par ses forts besoins énergétiques. De plus, les procédés de con¬ version chimique impliquent une durée minimale de traitement et donc, pour un traitement sur une ligne de fabrication continue, une longueur et un encombrement importants de 1'installation de traitement.

D'autres tentatives ont été faites par ailleurs pour amélio¬ rer les caractéristiques lubrifiantes des huiles d'emboutissage. Cependant, le risque de grippage subsiste, surtout dans les zones soumises à de fortes pressions, telles que les bords de outils, où la lubrification par de telles huiles peut s'avérer insuffi¬ sante.

La présente invention a pour but de résoudre ces différents problèmes et de supprimer les inconvénients précités.

Avec ces objectifs en vue l'invention a pour objet un procédé d'amélioration de 1'eraboutissabilité de tôles ou flans de tôles métalliques notamment en acier, nu ou revêtu, caractérisé en ce que, avant emboutissage, on dépose sur la tôle, ou sur l'outil d'emboutissage, un sel d'un métal alcalin choisi dans le groupe formé par Li, Na, K, et d'un anion chimiquement inerte à l'égard

du métal constitutif de la tôle, choisi parmi les phosphates.

Selon une première application, le procédé est mis en oeuvre lors de l'emboutissage de flans de tôle métallique, au moyen d'ou¬ tils d'emboutissage comprenant une matrice, un serre-flan et un poinçon, et le dépôt est réalisé par application sur les outils d'une solution en dit sel.

Selon une variante de l'invention, l'application de ladite solution est faite sur les outils préalablement dégraissés. On peut ensuite procéder au séchage des outils. On peut alors soit huiler les outils par un lubrifiant d'emboutissage, avant de pro¬ céder à l'emboutissage du flan, soit emboutir directement le flan de tôle préalablement huilé.

Selon une autre variante, l'application du sel ou de la solu¬ tion est réalisée sur les outils préalablement huilés. L'application de la solution peut être préférentiellement réalisée par dépôt de gouttes de ladite solution, réparties sur les outils ou localisées dans certaines zones de ceux-ci particu¬ lièrement susceptibles de grippage, telles que les surfaces en regard de la matrice et du serre-flan, ou les zones les plus anguleuses des outils.

Grâce à l'invention, les risques de grippage et de rupture du flan peuvent être considérablement réduits, voire supprimés. De plus la pression du serre-flan peut être augmentée sans accroître ce risque, ce qui améliore le confinement des bords du flan entre la matrice et le serre-flan et évite la formation de plis ou ondu¬ lations sur ces bords. De plus encore, l'application dudit sel évite, dans le cas où un grippage se produirait quand même au cTjurs d'une opération d'emboutissage, l'adhésion sur les outils des grippures, c'est-à- dire des traces du métal constitutif de la tôle emboutie et arrachée de celle-ci lors de l'éventuel grippage. En conséquence, la pièce emboutie lors de l'opération suivante ne risque pas d'être détériorée par des grippures adhérentes aux outils.

Une explication proposée par les inventeurs à l'amélioration de l'emboutissage observée, est que le sel déposé sur l'outil constitue un agent saponifiant qui provoque par réaction avec

l'huile d'emboutissage un savon, cette réaction se produisant notamment grâce aux conditions de pression et de température créées au niveau des surfaces de contact outil-flan lors de l'em¬ boutissage. Selon une autre application du procédé, le dépôt de sel peut être effectué sur la tôle avant emboutissage, ou même lors de sa fabrication.

L'invention a donc aussi pour objet une tôle métallique caractérisée en ce qu'elle comporte sur au moins une face un film d'un produit saponifiant provoquant la formation d'un savon par réaction avec une huile, cette huile étant du type de celles uti¬ lisées communément lors des opérations d'emboutissage. On notera qu'ici et dans la suite de ce mémoire le terme "emboutissage" sera utilisé pour désigner de manière générale tous les procédés de mise en forme par déformation plastique des tôles.

Préférentiellement, ledit produit est un sel d'un métal alca¬ lin choisi dans le groupe formé par Na, K, Li, déposé à la surface de la tôle à raison de plus de 10 milligrammes par m ² de surface et moins de 100 mg/m* . Préférentiellement encore, ledit sel est tin sel d'un anion chimiqu-ement inerte à l'égard du métal constitutif de la tôle choisi parmi les phosphates.

Un autre objet de l'invention est un procédé de réalisation de la tôle ci-dessus, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on dépose le sel de métal alcalin par application sur la surface de la tôle d'une solution aqueuse dudit sel puis on sèche la tôle ainsi traitée, pour évaporer le solvant.

Préférentiellement cette solution contient de 10 à 100 g dudit sel par litre d'eau. Préférentiellement encore, la solution comprend des ions potassium, phosphate et des ions hydronium, et elle est neutrali¬ sée.

L'application de la solution sur la tôle pourra notamment être réalisée par aspersion, immersion ou enduction, la tôle étant séchée immédiatement après application de la solution.

La présente invention, prise dans l'une de ses différentes

dispositions exposées ci-dessus, permet de réduire considérable¬ ment la valeur du coefficient de frottement tôle-outil lors de l'emboutissage, et ceci que les tôles soient, préalablement au traitement, nues ou revêtues par exemple zinguées. Par rapport aux tôles précédemment citées, traitées par con¬ version chimique de leurs surfaces, les tôles selon l'invention se révèlent très économiques. Leur procédé de fabrication permet de réaliser un gain de place appréciable quant à 1'installation nécessaire à sa mise en oeuvre. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite à titre d'exemple d'une part d'es¬ sais mettant en oeuvre un procédé conforme à 1'invention dans le cas où on dépose ledit sel sur les outils d'emboutissage, d'autre part d'essais comparatifs de tôles traitées selon l'invention et soumises ensuite à emboutissage.

On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est un graphique montrant deux courbes repré¬ sentatives du coefficient de frottement en fonction de la pres¬ sion, ces courbes étant établies dans les mêmes conditions opéra- toires pour des tôles respectivement traitées et non traitées ;

- la figure 2 est un graphique montrant pour différents essais, la variation de pression P de serre-flan provoquant la rupture du flan, en fonction de la quantitié Q de sel déposé sur la tôle, exprimée en mg de potassium par m ² . On va d'abord décrire les essais réalisés en déposant le sel sur les outils d'emboutissage.

Ces essais ont été réalisés avec un outillage classique d'emboutissage sur des flans de tôle nue et de tôle électrozin- guée sur une face. Le dépôt de sel sur les outils a été réalisé par application d'une solution de K.PO^, 2H.0 diluée dans de l'eau à des concen¬ trations de 5 à 20 grammes par litre.

Plusieurs essais ont été réalisés, consistant à emboutir plusieurs flans avec le même outillage dans des conditions opéra- toires différentes, le rapport du diamètre du flan au diamètre du poinçon étant dans tous les cas de 2,1.

Pour chaque essai, on a recherché la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rupture du flan.

Pour chaque nuance de tôle, nue ou revêtue sur une face, les essais suivants ont été réalisés :

- emboutissage selon le procédé classique, sans application de la solution de K ₃ P0 ,

- emboutissage selon l'invention, avec application de la solution de K.PO^ sur le poinçon, la matrice et le serre-flan propres et préalablement dégraissés, et selon deux méthodes, l'une consis¬ tant à emboutir le flan sans séchage préalable de l'outil posté¬ rieurement à' l'application et laissant donc subsister sur les outils un excès d'eau, et l'autre consistant à emboutir le flan après séchage de l'outil,

- emboutissage selon l'invention, avec application de la solution sur les outils préalablement huilés.

Les résultats de ces essais sont indiqués dans le tableau ci- dessous, où la force de serre-flan nécessaire pour obtenir la rup¬ ture du flan a été indiquée pour chacun des essais précités :

D'autres essais ont également été réalisés pour déterminer la quantité de sel à déposer sur les outils, nécessaire pour obtenir une amélioration notable de l'emboutissabilité par rap¬ port aux procédés classiques.

On peut remarquer que grâce au procédé selon l'invention, la

force de serre-flan à la rupture du flan est augmentée de 33 % dans le cas de l'emboutissage, d'un flan de tôle nue, et de 50 % dans le cas de tôle revêtue.

Le procédé selon l'invention permet d'augmenter considéra¬ blement la force de serre-flan avant rupture, et donc la latitude de réglage de la presse d'emboutissage. Ainsi grâce au procédé selon l'invention, on peut augmenter la force de serre-flan, sans augmenter le risque de grippage et de rupture, et donc par exem¬ ple réaliser en une seule passe des pièces embouties plus profon¬ des que dans les procédés d'emboutissage selon l'art antérieur, ou réduire la formation de plis ou ondulations dans ces pièces.

Les résultats de ces essais sont consignés dans le tableau ci-dessous, qui indique, pour chaque nuance de tôle et dans les deux cas d'emboutissage selon l'invention, avec application de sel sur les outils préalablement dégraissés, la concentration de potassium en milligramme par m ² de surface des outils. Dans ces essais, on a déposé sur les outils une quantité constante de solution, en changeant la concentration en potassium de cette solution.

Concentration en potassium en rag/m ²

On peut ainsi constater que dans le cas d'un séchage après application de la solution sur les outils, et donc évaporation de l'eau en excès, la quantité de ^' K.PO^, H _a 0 nécessaire est notable¬ ment diminuée par rapport au cas où l'emboutissage est réalisé sans séchage préalable des outils.

Les inventeurs ont par ailleurs constaté lors de ces essais,

que l'emploi d'une solution peu concentrée en potassium et donc, à quantité égale de sel déposé, une plus grande quantité de solu¬ tion, et donc d'eau, utilisée, retarde l'action du sel et provoque un effet de ventouse entre matrice et serre-flan gênant lors de 1'emboutissage.

Il est donc préférable de procéder à tin séchage au moins par¬ tiel des outils après application de la solution, tant pour rédui¬ re la quantité de sel nécessaire, que pour améliorer l'emboutissa- bilité, ce séchage étant préférentiellement réalisé par de l'air chaud puisé.

Les inventeurs ont également constaté que l'amélioration de l'emboutissabilité par la mise en oeuvre du procédé selon l'inven¬ tion est pratiquement immédiate lors de l'emboutissage de tôle revêtue, alors qu'avec les flans de tôle nue, cette amélioration n'apparaît qu'après emboutissage, réalisé avec une pression de serre-flan réduite, de quelques flans.

D'autres essais encore ont permis de déterminer la durabilité de l'effet de l'application du sel sur l'outil. Pour cela, il a été procédé à une application préalable de la solution, puis plu- sieurs flans ont été successivement emboutis sans renouvellement de l'application, l'emboutissage étant alors réalisé avec une for¬ ce de serre-flan correspondant à environ la moitié du gain possi¬ ble déterminé par la première série d'essais (soit environ 210 kN pour la tôle nue) . On a pu ainsi emboutir sans rupture de 5 à 6 flans de tôle nue et de 10 à 12 flans de tôle revêtue.

En conséquence de ces essais, il s'est révélé préférable, lors d'une campagne d'emboutissage selon le procédé de l'inven¬ tion, d'employer une solution de forte concentration pour démarrer plus rapidement le processus conduisant à l'amélioration de l'em- boutissabilité, et, notamment dans le cas d'emboutissage de tôle nue, de réduire la pression de serre-flan par rapport à la pres¬ sion recherchée en cours de cette campagne, sur les deux ou trois premiers flans emboutis après l'application initiale de la solu¬ tion. Bien entendu, dans le cas de l'application de la solution sur les outils préalablement dégraissés, cette application ne supprime

pas la nécessité d'une lubrification, celle-ci pouvant être réali¬ sée soit en lubrifiant l'outil après application de la solution, soit en utilisant des flans de tôle préalablement huilés.

On va maintenant décrire des essais réalisés par application de sel sur la tôle, puis emboutissage de flans de la tôle ainsi traitée.

Le procédé selon 1'invention a été expérimenté sur des tôles nues et sur des tôles revêtues (zinguées) . Les inventeurs ont observé une amélioration plus sensible des caractéristiques d'em- boutissage pour les tôles revêtues.

Les expériences menées par les inventeurs en laboratoire et sur installations industrielles ont montré que des tôles non trai¬ tées sollicitées en emboutissage cassent à une faible pression de serre-flan (40 bars) alors que ces mêmes tôles traitées selon l'invention permettent d'atteindre des pressions de serre-flan de 140 bars avant rupture.

Il en résulte non seulement la possibilité de réaliser des emboutis soμs forte pression, mais encore un accroissement impor¬ tant de la latitude d'emboutissage, c'est-à-dire de la fourchette de pression du serre-flan, limitée vers les pressions basses par l'apparition de plis de la forme emboutie, et vers les pressions hautes par la déchirure du flan.

Le tableau ci-dessous illustre les résultats obtenus lors d'essais d'emboutissage d'échantillons obtenus par cinq prélève- ments. La moitié des échantillons (A) des prélèvements 1, 2 et 3 ayant été traitée au laboratoire, et les échantillons (B) des pré¬ lèvements 4 et 5 traités sur lignes de fabrication industrielle.

Chaque échantillon est un flan de tôle d'acier sur lequel est déposé du phosphate de sodium, en enduisant la surface de la tôle d'une solution aqueuse contenant 60 g de phosphate de sodium par litre, de manière que la quantité de phosphate de sodium soit de 20 mg/m ² , puis en séchant la tôle, et enfin en la revêtant d'une huile de protection ordinaire.

D'autres essais ont permis d'obtenir les courbes du graphique de la figure 1 représentant la variation du coefficient de frotte¬ ment en fonction de la pression. Ces courbes ont été obtenues par mesure sur un tribomètre classique à surfaces parallèles, avec des tôles électrozinguées double face dont le revêtement a une épais¬ seur de 10 um.

On constate facilement que dans le cas de la tôle traitée, le coefficient de frottement est globalement nettement plus faible que dans le cas de la tôle non traitée.

Le graphique de la figure 2 montre le résultat d'autres essais réalisés en faisant varier la quantité Q de sel, ici du phosphate de potassium de formule K.PO^, déposé sur la tôle (sur une seule face) , exprimée en mg de potassium par m ² .

On constate que pour des quantitées inférieures à environ 5 mg/m ² , les valeurs de pression P de serre-flan conduisant à la rupture du flan sont dispersées, avec de nombreux cas de rupture pour des pressions voisines de 40 bars, alors que pour des quanti-

tés supérieures à 5 rag/m ² , on n'observe aucune .upture jusqu'à 120 bars.

Il est rappelé que dans le cas où le dépôt de sel est réalisé sur la tôle, ou sur le flan, ce traitement ne supprime bien évi¬ demment pas l'obligation de huiler les tôles avant emboutissage, puisque l'amélioration de l'emboutissabilité obtenue grâce à l'in¬ vention résulte de la combinaison des produits déposés conformé¬ ment à l'invention et de l'huile utilisée communément lors de l'opération d'emboutissage.