1. Introduction

L’extrusion est un procédé par lequel le métal, sous forme de billette à l’origine, est poussé sous forte pression par l’action d’un piston à travers une filière, pour en sortir sous la forme d’un profilé.

L’extrusion des alliages d’aluminium peut se faire à froid dans le cas des alliages à faible résistance mécanique et à grande ductilité (séries 1000 et 3000), et à chaud essentiellement dans le cas des alliages à plus haute résistance mécanique comme les séries 2000 et 7000, mais également les séries 5000 et 6000. Les alliages d’aluminium sont considérés comme les matériaux qui conviennent le plus à l’extrusion et se distinguent par une variété de profilés inégalée par rapport aux autres matériaux. La figure 1 donne un exemple de la variété de ces profilés.

Figure 1. Exemples de profilés d’aluminium

Étant donné que l’obtention de longs profilés aux formes complexes avec une bonne résistance mécanique, qui sont très en demande par le marché, se fait essentiellement par extrusion à chaud, ce procédé sera traité exclusivement dans ce qui suit.

Par le procédé d’extrusion, on obtient un produit long de section transversale constante sur toute sa longueur. La section est généralement plus complexe que celle d’une barre ou d’un tube. Selon la forme de sa section transversale, il est appelé profilé plein, semi-creux, ou creux.

L’extrusion est un moyen de mise en forme qui n’est pas unique à l’aluminium, mais ce métal est le seul dont la formabilité permet d’obtenir des profilés de résistance structurale aux formes très élaborées qui répondent à des besoins spécifiques. C’est ce qui rend d’ailleurs l’extrusion très attrayante pour plusieurs transformateurs.

Il est possible d’intégrer de nombreuses fonctions lors de la conception d’un produit fabriqué à partir d’extrusions.

1.1. Les alliages

Tous les alliages peuvent être extrudés, mais certains plus difficilement que d’autres. Les alliages de la famille 6XXX (Al-MgSi) représentent 90 % de l’aluminium extrudé et sont utilisés tant dans les applications structurales qu’architecturales. Ils demeurent les favoris de l’industrie pour leur bonne malléabilité à des températures élevées, mais aussi parce qu’ils se traitent thermiquement, qu’ils réagissent bien aux traitements de finition et aux opérations de transformation subséquentes et qu’ils offrent une bonne résistance à la corrosion. On retrouve également sur le marché des profilés en alliages de la famille 3XXX et 1XXX. Un faible tonnage de certains alliages 2XXX et 7XXX est aussi extrudé.

Tableau 1. Quelques-uns de ces alliages et leurs caractéristiques.

Ces alliages sont initialement livrés à l’extrudeur dans leur forme brute de coulée, de section circulaire. L’extrudeur dispose normalement des alliages les plus courants dans ses stocks et il peut répondre rapidement à la demande (2 à 4 semaines). Cependant, pour certains alliages peu demandés, les délais d’approvisionnement en matière première peuvent s’avérer prohibitifs. Pour que le produit soit accessible, la commande minimale doit refléter davantage les politiques de vente des producteurs d’aluminium que celles de l’extrudeur

Le client choisit l’alliage et son état métallurgique ainsi que la forme du profilé requis pour un usage spécifique. Puisqu’il s’agit d’un procédé de formage à chaud, il faut se rappeler que les alliages non traitables thermiquement conserveront les propriétés de leur état recuit à moins de subir subséquemment un étirage à froid (applicable à des formes simples). Les tolérances réalisables par le procédé sont définies par les normes ANSI H35.2, Aluminum Standards and Data, EN 755, DIN 17 615 T3. Elles devront correspondre à celles prévues dans la conception du profilé.

1.2. Le procédé

La réussite du procédé, qui se traduit par l’atteinte des caractéristiques recherchées (finis de surface, tolérances dimensionnelles, résistance mécanique), s’appuie en grande partie sur le contrôle des températures : température de la billette préchauffée et de la filière, température à la sortie de presse et taux de refroidissement.

Le préchauffage des billettes est nécessaire pour amener le métal à la température à laquelle il sera suffisamment malléable pour s’écouler sous la pression à travers la filière. Ce préchauffage permet aussi d’atteindre la température nécessaire à la mise en solution des éléments pour les alliages traitables thermiquement.

Les billettes s’enchaînent rapidement dans la presse, donnant l’impression d’une alimentation ininterrompue de métal. Dans la presse, le métal est forcé sous la pression à passer au travers une filière (matrice ou « die »). On lui donne alors le nom de profilé. La force nécessaire pour permettre à la billette de traverser la filière est appliquée à l’aide d’un piston hydraulique.

Selon sa taille, une presse peut générer une force qui varie de quelques centaines de tonnes à plus de 20 000 tonnes. Le choix de la presse (capacité requise) doit normalement être adapté aux dimensions des pièces filées. La billette utilisée est un long cylindre d’aluminium plein, dont le diamètre variant entre 6 pouces et 18 pouces, est directement relié à la capacité de la presse d’extrusion.

Le procédé courant d’extrusion ou filage de l’aluminium est une mise en forme à chaud (450°C à 500°C) par écoulement du métal d’une billette que l’on presse à travers l’orifice d’une filière en acier qui reproduit la section du profil à obtenir (barres, tubes, etc.).

À sa sortie de la matrice d’extrusion, le profilé défile rapidement sous une unité de refroidissement. Selon le produit, on utilisera un jet d’eau, une brume, de l’air forcé ou non, ou une combinaison de ces derniers. Cette étape correspond à la trempe pour les alliages traitables thermiquement.

À la sortie de la presse, le profilé est coupé en longueur de plusieurs dizaines de mètres, puis redressé par étirage (1 à 3 % d’allongement). C’est à partir du besoin des clients que découlera la suite des opérations : coupe, vieillissement artificiel, peinture, anodisation et emballage.

Le procédé se déroule dans une usine dédiée, habituellement composée de 2 à 3 presses d’extrusion, autour desquelles sont greffés des équipements auxiliaires : cisaille ou scie à billettes, four à billettes, scie pour profilés, table de redressement, four à traitement thermique, chambre de peinture ou ligne d’anodisation.

1.3. Les matrices d’extrusion (filières)

Le choix de l’alliage est normalement fait en considérant les propriétés reliées à l’utilisation. Cependant, certains alliages sont plus difficiles à extruder (filer) ce qui aura un impact sur le coût d’utilisation de la presse et sur la durée de vie de l’outillage. Un compromis peut être fait avec l’extrudeur qui sera à même de proposer un alliage de substitution avantageux. En acceptant la commande, l’extrudeur offre une garantie de résultat. Par le fait même, ceux qui sont moins expérimentés pourront refuser d’extruder certains alliages.

Tous les alliages d’aluminium peuvent être extrudés mais certains plus difficilement que d’autres et demandent des pressions élevées permettant seulement de faibles vitesses et des finitions de surface et des complexités de profilés moindre. Le terme « filabilité » est utilisé pour qualifier globalement ces résultats avec l’aluminium pur à une extrémité de l’échelle et les alliages durs aluminium/zinc/magnésium/cuivre à l’autre extrémité. Cependant, en raison de la complexité des interactions entre les paramètres du procédé, cette évaluation peut être considérée comme quelque peu arbitraire !

La filière d’extrusion est possiblement la seule portion du procédé sur laquelle le client a une influence directe. En effet, le design appartient au client qui a développé un profilé répondant à ses besoins et la filière lui est ainsi réservée. Elle reste cependant captive de l’extrudeur qui en a conçu les détails. Les filières destinées aux profilés standards ne sont pas facturées au client, mais elles ne sont pas toujours disponibles, de même que les produits, ce qui peut entrainer des délais d’approvisionnement similaires au produit sur mesure.

Il y aura des différences dans la conception des filières, et ce, d’un extrudeur à l’autre. Par conséquent, le client doit retenir qu’il est préférable de s’adresser le plus tôt possible à l’extrudeur lors de la conception d’un profilé, puisque ce dernier pourra imposer des modifications à la conception tout en tenant compte de ses propres contraintes de production.

Un certain nombre d’éléments géométriques sont à considérer lors de la conception, notamment la taille de l’extrusion, les rayons de transitions, la forme des nervures, les épaisseurs minimales, les tolérances et les finis de surface. Il faut aussi se rappeler que le poids d’une pièce extrudée (section x longueur) sera toujours inférieur au poids maximum de la billette que la presse est capable de pousser.

2. Méthodes d’extrusion

Il existe deux méthodes d’extrusion à chaud :

Extrusion directe (vers l’avant) : le piston se déplace dans la même direction que la section extrudée, ce qui entraine le déplacement de la billette par rapport au conteneur (Figure 2.a).

Extrusion indirecte (vers l’arrière) : le piston est poussé contre la billette dans le sens opposé à celui de la sortie du profilé. La billette reste immobile dans le conteneur (Figure 2.b).

Figure 2. Principe des méthodes d’extrusion : (a) Extrusion directe, et (b) Extrusion indirecte

L’extrusion directe est le mode de production le plus simple et peut être réalisée sans lubrification. De même, l’extrusion directe permet de confiner les oxydes présents initialement à la surface de la billette au bout du profilé (à cause de la friction avec le contenant) et de produire un produit avec un beau fini de surface. De son côté, l’extrusion indirecte a l’avantage de nécessiter une charge maximale de 25 à 30 % de celle de l’extrusion directe (voir Figure 3), de produire une chaleur et une friction minimale, ce qui minimise les défauts de surface (comme les déchirures à chaud) et augmente la durée de vie de l’outillage. Toutefois, la faible friction lors de l’extrusion ne permet pas de retenir les oxydes présents initialement à la surface de la billette au bout du profilé. Ces oxydes se retrouvent donc à surface du produit fini, ce qui impose l’utilisation de billettes usinées dans ce cas.

Figure 3. Exemple expliquant le principe de l’hydroformage sous pression par séquence

3. Paramètres affectant le procédé

3.1. Vitesses d’extrusion et température

La température développée durant l’extrusion a une grande influence sur la vitesse du procédé, notamment dans le cas des alliages d’aluminium à haute résistance mécanique (séries 2000 et 7000). Les billettes d’alliages d’aluminium sont généralement chauffées entre 350 et 500°C à l’entrée de la presse. Lors de l’extrusion, la température du matériau est affectée par plusieurs facteurs comme la chaleur générée par la déformation plastique et le cisaillement et la friction entre le matériau et l’outillage, ainsi que le transfert de chaleur dans la billette, et entre la billette et l’outillage. Ces phénomènes se produisent simultanément ce qui explique la relation complexe qui existe entre le matériau à extruder et les paramètres du procédé, comme la température des billettes, la friction, la température et le matériau de l’outil, la vitesse d’extrusion, la forme à extruder et le rapport d’extrusion R (rapport entre l’aire de la section transversale de la billette et celui de la pièce à extruder).

La figure 4 montre la relation entre la contrainte d’écoulement et la vitesse d’extrusion de certains alliages d’aluminium. On note que la vitesse d’extrusion est très affectée par la contrainte d’écoulement du matériau qui dépend elle-même de la température d’extrusion comme le montre la figure 5. Ainsi, les vitesses d’extrusion sont particulièrement élevées pour les alliages « mous » comme le 1050 et le 3003, mais très basses pour les alliages « durs » comme le 7075 et le 2024.

Figure 4. Relation entre la contrainte d’écoulement et la vitesse d’extrusion des alliages d’aluminium

Figure 5. Variation de la contrainte d’écoulement d’alliages Al en fonction de la température

D’un autre côté, la vitesse et la longueur d’extrusion entrainent de la température dans le matériau extrudé pendant le procédé, notamment à cause de la friction entre le matériau et l’outil. La température du matériau extrudé est un facteur très important pour l’obtention de profilés exempts de défauts de surface et de déchirures à chaud. La figure 6 montre l’effet de la vitesse et de la longueur d’extrusion sur l’augmentation de température d’un alliage 1100.

Figure 6. Effet de la vitesse et de la longueur d’extrusion sur l’augmentation de température de billette d’un alliage 1100

3.2. La composition et la température de solidus de l’alliage

Un alliage dilué possède une température de solidus élevée, ce qui minimise les risques de la fusion locale lors de l’extrusion et les risques associés (déchirures et les stries longitudinales (pick up)). Par contre, une billette d’un alliage avec une température de solidus basse peut voir sa température augmenter lors de l’extrusion pour dépasser la température du solidus, ce qui entraine une fusion locale donnant naissance au phénomène de fragilité à chaud ainsi qu’à la formation de défauts comme les déchirures et les stries longitudinales (pick up).

3.3. Épaisseur du profilé à extruder

L’augmentation de l’épaisseur du profilé à extruder entraine l’augmentation de la vitesse d’extrusion et de la température de la billette.

3.4. Outils

La plupart des outils utilisés pour l’extrusion à chaud des alliages d’aluminium comme la filière, l’anneau de filière, la pièce d’appui (backer), la pièce de soutien (bolster), la chemise (carrier) sont généralement fabriqués à partir des aciers à outils H11, H12 et H13. La figure 7 donne les détails d’un assemblage d’outils destinés à l’extrusion d’une forme rectangulaire, ainsi que leur emplacement dans la chemise.

Figure 7. Détails d’un assemblage d’outils destinés à l’extrusion d’une forme rectangulaire

4. Paramètres opératoires

4.1. Préparation des billettes

La plupart des matériaux métalliques destinés à l’extrusion sont coulés sous forme de cylindres longs de 3,7 à 6 m (12 à 20 pieds) ou plus. Ces cylindres sont ensuite coupés en billettes de longueurs différentes dépendamment de la longueur du profilé à extruder.

Une préparation additionnelle des billettes peut être nécessaire comme l’usinage de la peau afin d’éliminer les oxydes et impuretés dans le cas de l’extrusion indirecte. Avant l’extrusion, les billettes subissent généralement un traitement thermique d’homogénéisation. Ce traitement facilite l’extrusion et améliore le fini de surface du produit final.

La température des billettes est un paramètre déterminant dans la réussite de l’extrusion. En effet, une billette portée à très haute température peut causer des cloques (blisters) ou se fissurer lors de l’extrusion. À l’opposé, une billette froide augmente la pression exigée et réduit la durée de vie de l’outillage.

4.2. Pressions exigées

La pression d’extrusion est un paramètre déterminant pour la sélection des presses. La pression d’extrusion dépend de plusieurs paramètres comme la forme du profilé, la friction, le matériau à extruder, la température de la billette, le rapport ainsi que la vitesse d’extrusion. Les pressions fournies par les presses d’extrusion de l’aluminium sont comprises généralement entre 450 et 750 MPa (65 à 110 ksi) avec un maximum d’environ 1035 MPa (150 ksi). Le tableau 2 donne un aperçu des capacités typiques des presses d’extrusion (à chaud) des alliages d’aluminium.

Tableau 2. Capacités typiques des presses d’extrusion (à chaud) des alliages d’aluminium

4.3. Vitesses d’extrusion

Une vitesse d’extrusion optimale est un autre paramètre déterminant en extrusion à chaud des alliages d’aluminium. Une vitesse excessive peut causer une surchauffe de la billette et des déchirures ainsi que d’autres défauts. D’un autre côté, une vitesse trop lente entraine une réduction de la productivité et une augmentation de la pression d’extrusion à cause du refroidissement de la billette, en plus de diminuer la durée de vie de l’outillage à cause du contact prolongé avec la billette. Les vitesses d’extrusion typiques des alliages d’aluminium varient entre 13 et 25 mm/s (0,5 à 1,0 po./s).

5. Problèmes et dépannage

5.1. Fissures superficielles (Figure 8)

Causes possibles : Une vitesse d’extrusion trop élevée, un frottement trop important ou une température trop élevée. À des températures très basses, le phénomène de stick-slip (marche par saccade) peut provoquer des fissures.

Figure 8. Relation entre la température des billettes sur la formation de fissures superficielles

5.2. Fissures intérieures

Causes : Ces défauts se produisent dans des conditions de faible frottement et un faible taux d’extrusion. Un angle de filière grand ainsi qu’un rapport élevé de la hauteur et la longueur de la zone de déformation (h / L), peuvent favoriser ces défauts.

5.3. Bandes d’oxydes intérieures

Causes : Inhomogénéité de la déformation provoquant l’entrainement des oxydes présents à la surface de la billette vers le centre. Solutions suggérées : réduire la friction et la différence de température entre le centre et la périphérie de la billette.

5.4. Formation de stries longitudinales (pick up, Figure 9)

Causes : augmentation de la température de la billette au-delà de la température du solidus, à cause d’une vitesse d’extrusion élevée combinée à une température élevée de la billette et d’une basse température du solidus (un alliage concentré). Solutions suggérées : baisser la vitesse d’extrusion, la température de la billette et/ou choisir un alliage dilué.

Figure 9. Vue générale de stries longitudinales formées sur un profilé d’extrusion

 

5.5. Présence de grosses particules de MgSi2 (cas des alliages de la série 6000, Figure 10)

Causes : la température de la billette et la vitesse d’extrusion sont insuffisantes pour dissoudre les particules MgSi2, ce qui peut ultérieurement compromettre la réponse aux traitements thermiques et l’obtention de propriétés mécaniques optimales. Solutions suggérées : augmenter la température de la billette et la vitesse d’extrusion pour dépasser la température du solvus et dissoudre les particules MgSi2.

Figure 10. Exemple de particules MgSi2 (en blanc) formées à la surface d’un profilé en alliage de la série 6000

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Écrit par Sofiene Amira et Maurice Duval