Titre : FOND DE BAC BATTERIES POUR VEHICULES ELECTRIQUES

Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine des véhicules à moteur électrique ou à moteur hybride.

La présente invention concerne plus particulièrement les bacs de batteries d’un tel véhicule à moteur électrique ou à moteur hybride, constitués d’un cadre périphérique ayant une forme polygonale généralement sur une vue en plan, un fond relié à la surface inférieure du cadre périphérique et réalisée en alliage d'aluminium, ainsi qu’une coiffe supérieure pour la fermeture.

Etat de la technique

Un bac de batteries ou bac batteries peut comprendre une chambre hébergeant des unités d’éléments de cellules de stockage de l’énergie électrique, permettant de produire l’énergie électrique servant au fonctionnement du véhicule électrique ou hybride. Les unités d’éléments de cellules de stockage d’énergie électrique sont placées dans le bac batteries, après quoi le bac de batteries est monté à bord d’un véhicule à moteur électrique ou hybride.

Un véhicule à moteur électrique ou un véhicule hybride (véhicule à moteur électrique également doté d’un moteur à explosion) exige un grand nombre de batteries pour faire fonctionner un moteur. Les références EP 1939026, US 2007/0141451, US 2008/0173488, US 2009/0236162 et EP 2623353 donnent quelques exemples de bacs de batteries conventionnelles pour véhicules électriques.

Un bac batteries doit protéger les cellules de la batterie servant au stockage de l’énergie électrique. En particulier, en cas d’accident, cette protection doit éviter un court-circuit provoquant la panne complète du véhicule. Un bac batteries doit aussi avoir une fonction de cage de Faraday pour éviter les rayonnements électro magnétiques. Il faut par conséquent qu’un bac batteries ait des caractéristiques mécaniques suffisantes pour protéger les modules en cas de chocs dus à une collision.

CN106207044 présente un bac batteries en matériau composite à base de fibres de carbone, formé de couches intermédiaires de fibres de carbone et de mousse de PVC laminée et les performances de résistance aux chocs latéraux. CN205930892 présente un modèle d’utilité qui fait appel à une structure de chicanes en nid d’abeille à la place de la partie basse afin d’améliorer les performances de sécurité en cas de collision. EP2766247 propose l’utilisation de bacs et d’un espace de déformation libre entre la paroi latérale du sous-compartiment des batteries et la poutre longitudinale du corps du véhicule.

La demande de brevet CN 108342627 présente un bac batteries pour véhicule électrique élaboré à partir des matières premières suivantes, exprimées en parties en masse : 0,4-0, 9 partie de fer, 0,5-0, 8 partie de titane, 0,7- 1,3 partie de zinc, 0,2-0, 6 partie de silicium, 3-6 parties de nickel, 4-8 parties de cuivre, 1-3 parties de manganèse, 80-90 parties d’aluminium, 0,2-0, 6 partie de carbure de bore, 0,8-1 partie d’oxyde de chrome, 0,2-0,25 partie d’oxyde de magnésium, 0,2-0, 5 partie d’oxyde de silicium, 0,2-0, 5 partie d’oxyde de titane, 0,2-0, 5 partie d’oxyde d’yttrium, 0,02-0,05 partie de carbure de béryllium, 0,02-0,05 partie de carbure de zirconium et 0,02-0,05 partie de carbure de tungstène.

La demande de brevet CN107201464 présente un bac batteries d’automobile électrique élaboré à partir de, en masse, 0,4-0, 9 partie de fer, 0,5-0, 8 partie de titane, 0,7- 1,3 partie de zinc, 0,2-0, 6 partie de silicium, 0,1-0,15 partie de titane, 3-6 parties de nickel, 4-8 parties de cuivre, 1-3 parties de manganèse et 80-90 parties d’aluminium.

La demande de brevet CN 107760162 présente un bac batteries pour voiture particulière, à haute résistance et résistant à la corrosion, comprenant un corps, ce dernier étant réalisé dans un alliage à haute résistance. La surface du corps du bac batteries est revêtue d’une couche d’un revêtement résistant à la corrosion. L’alliage d'aluminium est élaboré à partir des composants suivants, en pourcentage de teneur pondérale : 0,21-0,47 % de Mn, 1,83-3,75 % de Cu, 0,23-0,47 % de Ti, 2,35-7,48 % de SiC, 0,13-0,54 % de Er et le reste constitué d’aluminium pur et d’impuretés à l’état de traces. Le brevet FR2721041 concerne une tôle en alliage d'aluminium destinée à la construction mécanique, aéronautique ou spatiale, caractérisée par la composition (en poids): Si: 6,5 à 11%, Mg: 0,5 à 0,8%, Cu: < 0,3%, Fe: < 0,08%, Mn: < 0,5% et/ou Cr: < 0,5%, Sr 0,008 à 0,025%, Ti: < 0,02%, Total autres éléments: < 0,2% , reste aluminium. Les tôles selon cette invention peuvent être utilisées en particulier pour les intrados d’ailes et le revêtement de fuselage d’avions, ainsi que pour les réservoirs cryogéniques de fusées.

L’invention de la demande de brevet EP3384060 concerne une tôle mince pour pièce de renfort ou de structure de carrosserie automobile en alliage d'aluminium de composition, en % en poids : Si : 10 - 14, Mg : 0,05 - 0,8, Cu : 0 - 0,2, Fe : 0 - 0,5, Mn : 0 - 0,5, optionnellement au moins un élément choisi parmi Na, Ca, Sr, Ba, Y et Li, la quantité dudit élément s'il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba Y et 0,1 - 0,3 pour Li, Sb : 0 - 0,05, Cr : 0 - 0,1, Ti : 0 - 0,2, autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium. L'invention concerne également le procédé de fabrication d'une telle tôle et l'utilisation d'une tôle mince en alliage de la série 4XXX ayant une teneur en silicium d'au moins 10 % en poids dont le module d’élasticité est au moins 77 GPa pour réaliser une pièce de renfort ou de structure de carrosserie automobile.

Selon la présentation de la société Novelis tenue dans le cadre de la conférence « Materials in car body engineering », le 16/05/2018 à Bad Nauheim, l’allégement des bacs batteries est obtenu avec des tôles d’aluminium à haute limite d’élasticité.

Selon la présentation de la société Arcelor tenue dans le cadre de la conférence « Battery systems in car body engineering », le 28 juin 2019 à Bad Nauheim, l’allégement des bacs batteries est obtenu avec des aciers à très haute limite d’élasticité.

Un bac batteries se doit également d’être parfaitement étanche afin d’éviter la pénétration de fluide à l’intérieur de la chambre du bac batteries ou la fuite de l’électrolyte contenu dans les éléments de cellules de stockage d’énergie électrique à l’extérieur de la chambre du bac batteries. Un colmatage étanche est notamment obligatoire si le bac batteries est fixé au-dessous du plancher du véhicule, afin d’empêcher la pénétration d’eau ou de boue. De plus, il est nécessaire de prévoir une résistance à la corrosion contre les fluides entrants et sortants. Afin d’améliorer les performances de fonctionnement d’un véhicule, un bac batteries doit avoir un poids réduit tout en offrant simultanément une résistance aux chocs maximum, un colmatage étanche, une résistance à la corrosion, une aptitude à s’adapter au contrôle de la température et une aptitude à loger un maximum d’éléments de cellules de stockage d’énergie électrique.

La présente invention a été développée pour alléger le fond de bac batteries pour les véhicules à moteur électrique ou hybride. La fonctionnalité principale de cette zone du bac est de protéger les cellules de stockage de l’énergie électrique et leur système de refroidissement des intrusions venant de la route (liquides et solides). La présente invention propose l’utilisation d’une tôle en alliage d’aluminium. Cette solution permet en effet d’assurer une bonne réponse fonctionnelle, en offrant simultanément une étanchéité parfaite sur une grande surface (pas de liaisons nécessaires) et une performance structurale qui permet de limiter les intrusions d’objets à énergie cinétique élevée, ainsi qu’un grande stabilité des performances dans le temps (peu ou pas d’évolution des propriétés dans le temps, grande résistance à la corrosion structurelle dans l’environnement concerné), et enfin une masse optimisée.

Problème posé

Le but de la présente invention est de définir des matériaux métalliques en alliage d’aluminium pour des bacs batteries ayant de bonnes propriétés contre l’intrusion tout en ayant des propriétés mécaniques, de résistance à la corrosion, en particulier inter granulaire un bon comportement pour les procédés d’assemblage des bacs batteries.

Objet de l’invention

Un premier objet de l’invention est l’utilisation d’une tôle mince en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est au moins 77 GPa pour réaliser un fond de bac batteries. Un autre objet de l’invention est une tôle mince en alliage d’aluminium 4xxx pour fond de bac batteries en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est d’au moins 77 GPa et dont la limite d’élasticité Rp0,2 est au moins 295 MPa à l’état T6.

Encore un autre objet de l’invention est un fond de bac batteries fait avec une tôle mince selon l’invention.

Encore un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication de la tôle mince comprenant les étapes successives suivantes : a. Fabrication d’une plaque de fonderie, préférentiellement par coulée semi continue verticale, b. Homogénéisation, préférentiellement réchauffage à une température d’au moins 540°C pendant 1,5 heures, préférentiellement 550°C pendant au moins 4 heures, c. Laminage à chaud, d. Laminage à froid avec un taux de réduction préférentiel d’au moins 60%, e. Mise en solution à une température d’au moins 500°C, puis trempée, préférentiellement bobinée à une température de 50°C à 100°C.

Description des figures

[Fig. 1] La Figure 1 est une vue éclatée d’un bac batteries pour un véhicule à moteur électrique ou hybride, dans le cas où le fond est une pièce séparée du cadre périphérique.

[Fig. 2] La Figure 2 présente le montage expérimental de l’essai de pénétration.

[Fig. 3] La Figure 3 présente le modèle de simulation numérique avec l’impacteur.

[Fig. 4] La Figure 4 présente les courbes de contraintes et de déformations des matériaux utilisés.

[Fig. 5] La Figure 5 présente les allègements avec en abscisse la limite d’élasticité Rp0,2 des différents matériaux utilisés. Description de 1’invention

Sauf mention contraire, 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 Cu signifie que la teneur en cuivre exprimée en % en poids est multipliée par 1,4. La désignation des alliages d’aluminium se fait en conformité avec les règlements de The Aluminium Association, connus de l’homme du métier. 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 Rp0,2, l’allongement à striction Ag% et l’allongement à la rupture A%, sont déterminés par un essai de traction selon la norme NF EN ISO 6892-1, le prélèvement et le sens de l’essai étant définis par la norme EN 485-1.

Le module d’élasticité, aussi appelé module d’Young, est mesuré selon la norme ASTM 1876.

Sauf mention contraire, les définitions de la norme EN 12258 s’appliquent. Une tôle mince est un produit laminé de section transversale rectangulaire dont l'épaisseur uniforme est comprise de 0,20 mm à 6 mm.

La Figure 1 montre un exemple non limitatif de bac batteries pour véhicules à moteur électrique ou hybride comprend un fond 21, un cadre périphérique extérieur 22 formé de manière à être positionné sur une portion extérieure d’arête périphérique du fond 21 et une tôle forte supérieure ou coiffe 23 placée sur le cadre périphérique par le haut. Le cadre périphérique extérieur 22 est couramment relié au fond 21 par des moyens d’assemblage tels que soudage ou collage afin de garantir la résistance de l’assemblage et le colmatage des arêtes entre la partie basse et le cadre périphérique. Le cadre périphérique extérieur a une forme principalement polygonale. La coiffe supérieure est assemblée sur le cadre périphérique par des moyens d’assemblage tels que, par exemple non limitatif, des rivets, du collage, du soudage ou des vis. Elle peut également être fixée hermétiquement. L’ensemble du cadre périphérique 22 et du fond 21 peut aussi être constitué d’une pièce obtenue à partir de la déformation d’une tôle, par exemple non limitatif par emboutissage. La fonction structurelle principale de la plaque inférieure est la protection contre les intrusions des objets projetés de la route sur le bac batteries. Le principe est donc de protéger les batteries du bac batteries contre les dommages. Les inventeurs ont cherché à identifier les matériaux en alliage d’aluminium les plus adaptés pour un bac batteries. Le critère de choix typique pour définir les meilleurs matériaux est d’obtenir la plus grande absorption d’énergie pour une déformation du fond de bac batteries sous l’effet d’un impacteur ou la plus grande force d’intrusion d’un impacteur pour la même déformation du fond de bac batteries. Ils ont procédé en plusieurs étapes : la première a consisté à réaliser des simulations numériques avec différents matériaux virtuels. Un matériau virtuel est un matériau uniquement défini par ses propriétés mécaniques sans se préoccuper a priori s’il peut exister. Ces propriétés mécaniques sont le module d’élasticité, la limite d’élasticité Rp0,2 et les courbes de contraintes et de déformations. La seconde étape consistait à définir les matériaux virtuels retenus en cherchant la composition et le procédé de fabrication qui permettent d’obtenir les propriétés retenues. Ces étapes furent naturellement répétées un certain nombre de fois pour obtenir les matériaux réels les plus performants pour l’allègement du fond de bac batteries.

Usuellement, l’augmentation de la limite d’élasticité Rp0,2 d’un matériau est un moyen conventionnel pour pouvoir amincir une pièce faite avec ledit matériau. De façon surprenante, les inventeurs ont montré qu’il est également pertinent d’augmenter le module d’élasticité pour améliorer les propriétés des fonds de bac batteries. Il est connu que le module d’élasticité et la limite d’élasticité sont deux propriétés indépendantes et ne sont pas corrélées. Pour une tôle mince d’aluminium, usuellement, le module d’élasticité est typiquement de 70 GPa.

Un fond de bac batteries selon l’invention utilise donc une tôle mince d’aluminium dont le module d’élasticité est d’au moins 77 GPa.

Dans un mode de réalisation préféré, la tôle mince utilisée pour le fond de bac batteries a un module d’élasticité d’au moins 79GPa, plus préférentiellement au moins 84 GPa, plus préférentiellement au moins 89 GPa, plus préférentiellement au moins 94 GPa, plus préférentiellement au moins 99 GPa. Dans un mode de réalisation, le fond de bac batteries utilise une tôle mince en alliage d’aluminium de la série 4xxx dont la teneur en Si est d’au moins 10%.

Dans un mode de réalisation, le fond de bac batteries utilise une tôle mince en alliage d’aluminium dont la limite d’élasticité Rp0,2 après mise en forme en fond de bac batteries et après traitement thermique du fond de bac batteries est au moins 295MPa, préférentiellement au moins, 315 MPa, préférentiellement au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 340 MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 370MPa, plus préférentiellement au moins 380MPa, plus préférentiellement au moins 390 MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.

Un autre aspect de l’invention est une tôle mince en alliage d’aluminium 4xxx pour fond de bac batteries en alliage d’aluminium dont le module d’élasticité est d’au moins 77 GPa et dont la limite d’élasticité Rp0,2 est au moins 295 MPa à l’état T6.

Dans un mode de réalisation, la tôle mince a pour composition de l’alliage 4xxx, en % en poids, : Si : 10 - 14, Mg : 0,05 - 0,8, Cu : 0,2 - 2,0, Fe : <= 0,5, Mn : <= 0,5, optionnellement au moins un élément choisi parmi Na, Ca, Sr, Ba, Y et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba, Y et 0,1 - 0,3 pour Li, Sb : <= 0,05, Cr : <= 0,1, Ti : <= 0,2, autres éléments < 0,05 chacun et < 0,15 au total, reste aluminium.

La teneur en silicium est de préférence d’au moins de 10 %, préférentiellement 10,5% et de préférence 11 % en poids, en effet une teneur inférieure ne permet généralement pas d’atteindre un module d’élasticité suffisant. Avantageusement la teneur en silicium est au moins 11,5 % en poids et de préférence au moins 12 % en poids. La teneur en silicium est de préférence d’au plus de 14 % en poids, en effet une teneur supérieure ne permet généralement pas d’atteindre les propriétés d’allongement et de formabilité souhaitées. Avantageusement la teneur en silicium est au plus 13,5 % en poids et de préférence au plus 13 % en poids. Un mode de réalisation avantageux a une teneur en Si de 11% minimum à 13% maximum, en poids.

La teneur en magnésium est de préférence d’au moins de 0,05 % en poids et de préférence au moins 0,1 % en poids, en effet une teneur inférieure ne permet généralement pas d’atteindre des propriétés mécaniques suffisantes. La teneur en magnésium est de préférence d’au plus de 0,8% en poids et de préférence au plus de 0,7%, en effet une teneur supérieure ne permet généralement pas d’atteindre les propriétés d’allongement et de formabilité souhaitée dans le cas d’un fond de bac batteries embouti. Dans un mode de réalisation de l’invention, la teneur en magnésium est comprise de 0,1 à 0,3 % en poids ce qui permet d’obtenir une formabilité élevée de la tôle.

Dans un autre mode de réalisation de l’invention, la teneur en magnésium est comprise de 0,3 à 0,6 % en poids ce qui permet d’obtenir une résistance mécanique plus élevée tout en maintenant une formabilité suffisante.

La teneur en cuivre est préférentiellement comprise d’au minimum 0,2%, préférentiellement d’au minimum 0,25%, et d’au maximum 2,0 % en poids. Une teneur en cuivre basse de 0,2% minimum, préférentiellement 0,25% minimum, plus préférentiellement 0,30% minimum, plus préférentiellement 0,35% minimum, plus préférentiellement 0,40% et de 0,7% maximum, est avantageuse pour les tôles après vieillissement (état T4 par exemple) pour la résistance à la corrosion. Par contre une teneur élevée en cuivre, de 0,5% minimum à 2% maximum, est avantageuse pour obtenir une résistance mécanique élevée après le traitement thermique final des pièces (état T6 ou T7 par exemple). De façon surprenante, à partir d’une teneur de 0,3% en Cu, des précipités insolubles Mg2Si et Q (AlMgSiCu) peuvent se former sans dégrader significativement les propriétés mécaniques. Ces précipités insolubles ont une taille typique d’au moins 0,1 iim, ou 0,5 um. Un précipité est insoluble si, lors de la mise en solution, il ne peut être dissous. Un compromis intéressant entre formabilité et limite d’élasticité Rp0,2 est obtenu avec une teneur minimum de 0,4%, préférentiellement 0.40% et plus préférentiellement d’au moins 0,5% et / ou une teneur maximum en cuivre préférentiellement de 0,8% et plus préférentiellement de 0,7%.

La teneur en fer est préférentiellement au maximum de 0,5 % en poids. Une teneur en fer supérieure à 0,5 % en poids peut avoir une conséquence néfaste sur la formabilité. Avantageusement on réalise l’addition d’une quantité de fer comprise de 0,1, préférentiellement 0,10% à 0,3 % en poids pour améliorer résistance mécanique et formabilité. Il peut être avantageux de réaliser l’addition d’une quantité de fer comprise de 0,05, préférentiellement 0,10% à 0,2 % en poids pour améliorer plus particulièrement la formabilité.

La teneur en manganèse est préférentiellement au maximum de 0,5 % en poids. Une teneur en manganèse supérieure à 0,5 % en poids peut avoir une conséquence néfaste sur la formabilité. Dans un mode de réalisation il est avantageux de réaliser l’addition d’une quantité de manganèse comprise de 0,05 à 0,2 % en poids pour améliorer notamment la formabilité. Cependant dans un autre mode de réalisation, on n’ajoute pas de manganèse et la teneur en manganèse est inférieure à 0,05 % en poids.

L’addition d’au moins un élément choisi parmi Na, Ca, Sr, Ba, Y et Li, la quantité dudit élément s’il est choisi étant de 0,01 - 0,05 pour Na, Ca, Sr, Ba, Y et 0,1 - 0,3 pour Li est avantageuse. Si l’élément n’est pas choisi comme addition sa teneur est maintenue à moins de 0,01 % en poids pour Na, Ca, Sr, Ba, Y et moins de 0,05 % en poids pour Li. Ces éléments sont des agents modifiants qui permettent notamment de contrôler la taille des composés eutectiques contenant du silicium lors de la solidification et/ou de modifier leur structure ce qui a une conséquence favorable sur les propriétés mécaniques, notamment la formabilité, en particulier lors de la coulée de plaques de grandes dimensions. Le strontium est l’agent modifiant préféré et l’addition de 0,01 à 0,05 % en poids de strontium est avantageuse.

La teneur en Sb est préférentiellement au maximum de 0,05% en poids. L’addition d’antimoine est avantageuse notamment pour limiter la présence de phosphore dans l’alliage, cet élément modifiant de façon défavorable la structure de l’eutectique. Dans un mode de réalisation de l’invention la teneur en antimoine est comprise de 0,01 à 0,04 % en poids, cependant dans ce mode de réalisation l’addition d’un agent modifiant tel que le sodium ou le strontium est de préférence évitée. La teneur en chrome est au maximum de 0,1 % en poids. Avantageusement on réalise l’addition d’une quantité de chrome comprise de 0,01 à 0,05%, préférentiellement de 0,01 à 0,03 % en poids.

La teneur en titane est comprise de 0 à 0,2 % en poids. Avantageusement on réalise l’addition d’une quantité de titane comprise de 0,01 à 0,15 % en poids.

Dans un mode de réalisation, la tôle mince a une limite d’élasticité à l’état T6 de au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 340MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 370MPa, plus préférentiellement au moins 380MPa, plus préférentiellement au moins 390MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.

Le procédé de fabrication de la tôle mince selon l’invention comporte de préférence les étapes successives suivantes.

D’abord la fabrication d’une plaque de fonderie de la composition requise pour la tôle.

Préférentiellement, la plaque de fonderie est en alliage de la série 4XXX. Préférablement cet alliage contient des scraps selon la norme EN 12258-3. L’alliage de la plaque de fonderie est donc fabriqué avec des matières premières qui peuvent être des scraps.

On appelle scraps, des produits constitués d'aluminium et/ou d'alliages d'aluminium, résultant de la collecte et/ou de la récupération de métaux produits à différentes étapes de fabrication ; appelés scraps de production, ou de produits après utilisation, appelés scraps de récupération.

Parmi les scraps de production, on peut citer les crasses de fonderie, les coulures, les scraps déchiquetés et les tournures définis selon EN 12258-3.

Parmi les scraps de récupérations, on peut citer des chutes ou des déchets provenant de véhicules hors d’usage.

Préférablement, l’alliage de la série 4XXX contient au moins au moins 50% en poids de scraps; plus préférablement au moins 80% en poids. Préférablement, l’alliage de la série 4XXX contient au moins au moins 50% en poids de scraps de récupération, plus préférablement au moins 80% en poids de scraps de récupération.

Préférablement les scraps de récupération sont des chutes ou des déchets provenant de véhicules hors d’usage, préférablement au moins 50%, plus préférablement au moins 80%. Un tel alliage est particulièrement intéressant car usuellement les véhicules hors d’usage, par exemple non limitatif les véhicules de tourisme ou véhicules légers, les camionnettes, les camions contiennent de nombreuses pièces en aluminium. Une partie de ces véhicules hors d’usage sont définis par la directive 2000/53/CE.

Ces pièces en aluminium sont très diverses. Il peut s’agir de pièces telles que des échangeurs de chaleurs comme par exemple non limitatifs des condenseurs et évaporateurs de climatisation, radiateurs de refroidissement du moteur ou de chauffage de l’habitacle, refroidisseurs d’air de suralimentation, radiateurs et échangeurs d’huile, refroidisseurs de carburant. Il peut s’agir également de pièces du moteur comme par exemple non limitatif des culasses, des carters cylindres ou blocs moteurs. Il s’agit également d’autres pièces de moulage par exemple non limitatif de pièces pour les liaisons au sol. Ces pièces contiennent des alliages chargés en silicium. C’est le cas des échangeurs de chaleurs, précités, brasés. C’est le cas des autres pièces précédemment énumérées qui sont obtenues par moulage pour lequel les alliages de la série 4xxx sont usuellement utilisés et qui servent de filière de recyclage des échangeurs de chaleur brasés. Or la bascule de la propulsion par moteur à explosion vers la propulsion électrique va déstabiliser cette filière de recyclage. Les tôles en alliage d’aluminium dans les véhicules, en particulier pour la carrosserie et les pièces de structure, sont dans l’art antérieur en alliage 5xxx et 6xxx qui ne sont pas adaptés pour un recyclage important des alliages de la série 4xxx compte tenu de leur composition.

La tôle mince selon l’invention permet donc de créer une filière de recyclage des véhicules hors d’usage qui permettra de diminuer l’utilisation d’aluminium provenant des usines d’électrolyse. L’alliage 4xxx de la tôle mince selon l’invention contient préférentiellement des chutes ou des déchets d’alliages d’aluminium, préférablement des chutes ou des déchets provenant de véhicules en d’usage, préférablement au moins 50%, plus préférablement au moins 80%. Les meilleures usines d’électrolyse, qui utilisent l’hydro électricité, ont une empreinte Carbone de 4 tonnes de CO2 équivalent (CO2 _eq ) par tonne de plaque de fonderie compte tenu de l’utilisation d’anode en Carbone. L’empreinte Carbone typique pour une tonne de plaque de fonderie d’aluminium d’électrolyse produite en Europe est d’un peu moins de 7 tonnes de CO2 eq. L’empreinte Carbone d’une tonne de plaque de fonderie obtenue avec uniquement des alliages d’aluminium de recyclage est de l’ordre de 0,5 t de CO2 _eq par plaque de fonderie.

Compte tenu de la diversité des alliages des chutes et déchets provenant des véhicules hors d’usage, il n’est pas toujours possible de réaliser une plaque de fonderie exclusivement avec des chutes et des déchets de véhicule hors d’usage. Il est nécessaire d’utiliser des lingots de métal primaire et des métaux d’addition pour obtenir la composition requise pour la tôle selon l’invention. Compte tenu de ces ajouts, l’empreinte Carbone d’une plaque de fonderie selon l’invention, est préférentiellement inférieure à 4 tonnes de CO2 _eq par tonne de plaque de fonderie, préférentiellement inférieure à 2 tonnes de CO2 _eq par tonne de plaque de fonderie, préférentiellement inférieure à 1 tonne de CO2 _eq par tonne de plaque de fonderie, plus préférentiellement de 1 à 0,5tde CO2 _eq par tonne de plaque de fonderie, plus préférentiellement moins de 0,5 tonne de CO2 _eq par tonne de plaque de fonderie. Les tonnages de CO2 _eq contiennent non seulement le CO2 produits par les opérations précitées, mais également le tonnage des autres gaz à effet de serre produits pour leur tonnage équivalent en CO2.

Préférentiellement, la coulée de la plaque de fonderie est réalisée par coulée semi continue verticale.

Préférentiellement, la plaque de fonderie est ensuite scalpée pour enlever la couche corticale.

La plaque de fonderie est ensuite homogénéisée préférentiellement à une température d’au moins 540°C pendant 1,5 heures, préférentiellement 550°C pendant au moins 4 heures.

La plaque de fonderie est ensuite laminée à chaud jusqu’à une épaisseur préférentielle de 3 à 10 mm. Puis un laminage à froid est réalisé avec un taux de réduction préférentiel d’au moins 60% pour obtenir l’épaisseur de la tôle mince. Dans un mode de réalisation, le laminage à froid est réalisé en deux étapes séparés par un recuit afin d’éviter l’apparition de criques de rives pouvant entrainer la rupture de la tôle mince.

La tôle mince est ensuite mise en solution puis trempée. La mise en solution est réalisée à une température d’au moins 500°C, préférentiellement au moins 540°C pendant au moins 30 s, préférentiellement au moins 1 minute. La trempe a lieu à l’eau ou à l’air avec une vitesse d’au moins l°C/s, préférentiellement 5°C/s. La tôle mince est ensuite préférentiellement bobinée à une température de 50 à 100°C, préférentiellement de 60 à 80°C, puis la bobine refroidit naturellement à la température ambiante de 10 à 35°C. A la place de ce bobinage, il est aussi possible de soumettre la tôle mince à un traitement thermique de 8 heures à 85°C. Cette étape est utile lorsque la pièce faite avec la tôle, en particulier par emboutissage, est peinte. En effet cette étape agit comme un pré revenu qui va permettre, lors la cuisson des peintures, de 180°C pendant 20 minutes, d’améliorer le durcissement structural de la tôle mince pour obtenir préférentiellement un état T6.

Dans un premier mode de réalisation, la tôle mince, préférentiellement à l’état T4, est ensuite optionnellement découpée, optionnellement mise en forme, par exemple par emboutissage, pour obtenir une pièce qui est préférentiellement un fond de bac batteries ou un fond de bac batteries avec un cadre périphérique, optionnellement une partie dudit cadre périphérique.

La tôle mince ou la pièce obtenue est ensuite traitée thermiquement pour obtenir un état préférentiellement T6, typiquement par un revenu à une température de 200 à 250°C pendant une durée de 15 à 150 minutes.

La limite d’élasticité de la tôle mince à l’état T6 et/ou du matériau du fond de bac batteries obtenu avec cette tôle mince est au moins 295MPa, préférentiellement au moins 315 MPa, préférentiellement au moins 320MPa, plus préférentiellement au moins 330MPa, plus préférentiellement au moins 340 MPa, plus préférentiellement au moins 350MPa, plus préférentiellement au moins 370MPa, plus préférentiellement au moins 380MPa, plus préférentiellement au moins 390 MPa, plus préférentiellement au moins 400MPa.

Dans un second mode de réalisation, la tôle mince est dans un état T6x obtenu par un sous revenu de la tôle par un traitement de 100°C à 150°C, préférentiellement de 120°C à 140°C, pendant de 5 à 15 heures, préférentiellement de 7 à 9 heures. La tôle est ensuite optionnellement découpée, optionnellement mise en forme, par exemple par emboutissage, pour obtenir une pièce qui est préférentiellement un fond de bac batteries ou un fond de bac batteries avec un cadre périphérique, optionnellement une partie dudit cadre périphérique. Ladite pièce est ensuite peinte, l’étape de peinture comporte une cuisson des peintures à 180°C pendant 20 minutes.

De façon surprenante, les inventeurs ont constaté que la tôle mince ou le fond de bac batteries obtenu avec cette tôle mince résiste à la corrosion, malgré la présence de cuivre dans l’alliage, pour l’utilisation sur un véhicule, en particulier un véhicule électrique. La résistance à la corrosion inter granulaire, mesurée selon la norme ISO 11846, de la tôle mince à l’état T6 et/ou du matériau du fond de bac batteries obtenu avec la tôle mince, en particulier mais non exclusivement à l’état T4, à l’état T6 ou à l’état T6x, est, après un vieillissement supplémentaire de 40 minutes à 195°C ou d’un vieillissement de 1000 heures à 130°C, au plus une profondeur maximum 400um, préférentiellement 300um ou au plus d’une profondeur moyenne de 350um, préférentiellement 250um.

Exemples

Un essai de pénétration spécifique a été conçu pour évaluer la résistance à la pénétration du fond 21. Pour évaluer la résistance à la pénétration du matériau en tôle, il est possible de recourir à deux configurations critiques sur la tôle du fond 21, qui forment une pénétration proche et une pénétration éloignée du cadre périphérique extérieur. À proximité du cadre, le système mécanique est rigide et n’autorise qu’une faible déformation de la tôle pendant la pénétration. De cette manière, la fracture du matériau est le mécanisme de dommage qui domine. En position centrale, loin du cadre, le système se comporte de façon élastique. Il peut être le siège de déformations élastiques et plastiques, conduisant à un risque élevé de contact de la tôle avec les modules de batteries. L’essai peut être effectué sur une machine d’essai de charge statique Zwick 400. Comme le montre la Figure 2, la tôle 13 est serrée entre un cadre en acier supérieur et un cadre en acier inférieur 11 d’une largeur de 30 mm et fixé au moyen de plusieurs vis 12. Un mandrin cylindrique de 19,6 mm de diamètre avec des bords arrondis (r = 1,5 mm) est fixé sur la machine pour effectuer une pénétration dans la tôle. La force appliquée sur le mandrin ainsi que son déplacement sont mesurés. Le cadre peut se déplacer de manière à contrôler deux positions sur les mêmes positions de référence centrale 1 et de référence angulaire 4 de la tôle. Le déplacement total du mandrin pendant l’essai est réglé sur une distance de 15 mm choisie pour représenter un espace type entre le fond 21 et les batteries. L’essai est effectué en conditions quasi-statiques.

Le test d’intrusion ci-dessus décrit nécessite de détenir un matériau à tester. Les inventeurs ont donc dans un premier temps cherché à identifier les matériaux les plus prometteurs pour alléger un fond de bac batteries. Les inventeurs ont donc défini des propriétés de matériaux virtuels dans l’objectif d’identifier les plus prometteurs dans le but d’alléger la masse d’un fond de bac batteries. Les propriétés des matériaux virtuels sont le module d’élasticité, la limite d’élasticité et les courbes de contraintes et de déformations. Ces données sont synthétisées sur les tableaux 1 et 2 et sur la figure 4 pour les courbes de contraintes et de déformations. Le matériau dénommé AO n’est pas virtuel : il s’agit d’un alliage d’aluminium AA6111, bien connu pour la fabrication de caisse d’automobile. Les propriétés retenues de cet alliage AA6111 sont celles d’une tôle emboutie après traitement de cuisson des peintures (« Bake hardening »).

Ces différentes propriétés des matériaux ont été utilisées en simulation numérique pour étudier leur résistance à l’intrusion en utilisant un fond de bac batteries simplifié. Le logiciel de simulation numérique est LS-Dyna. Le fond de bac batteries simplifié est une tôle de 350 * 600 mm. Le maillage pour la simulation utilise des éléments de longueur 2,5mm, « fully integrated shell element » avec 5 points d’intégration dans l’épaisseur. Les conditions aux limites pour la simulation numérique ont deux caractéristiques. La première est une bande de 30mm de large à 20mm à l’intérieur de la tôle à partir du bord, où on autorise seulement les translations dans le plan de la tôle et la rotation autour de l’axe verticale. Une seconde caractéristique est la présence de 16 zones de 10mm en diamètre reparties autour de la tôle pour représenter les zones de vis, où toutes les translations et toutes les rotations bloquées sur les nœuds Le plan de la figure 2 montre cette bande et ces 16 zones. La fonction structurelle principale de la plaque inférieure est la protection contre les intrusions contre les objets projetés de la route sur le bac batteries. Le principe est donc de protéger les batteries du boîtier des batteries contre les dommages.

L’approche numérique est la simulation du test d'intrusion quasi- statique, avec un impacteur sphérique d’un diamètre de 150mm. Les inventeurs ont utilisé un diamètre d’impacteur sphérique de 150mm plutôt qu’un mandrin cylindrique de 19,6 mm de diamètre avec des bords arrondis car il est plus proche d’un objet réel pouvant impacter le bac batteries en réalité. La simulation est effectuée jusqu'à un déplacement du poinçon de 15 mm au centre de la tôle à vitesse constante et la force de réaction sur le poinçon est calculée. Les courbes entre les différentes options de matériaux sont comparées.

Comme montré par le tableau 2 et graphiquement par la figure 5, l’augmentation de la limite d’élasticité Rp0,2 permet d’alléger le fond de bac batteries en l’amincissant de 6% à 19% avec un matériau en alliage d’aluminium de module d’élasticité de 70 GPa. L’utilisation d’une tôle ayant un module d’élasticité de 80 GPa au lieu de 70 GPa permet un amincissement supplémentaire de la tôle de typiquement 6% avec la même limite d’élasticité Rp0,2 comme montré sur le tableau 3. Dans le cas des exemples A0 et A10 du tableau 3, le module d’élasticité de 80 GPa au lieu de 70 GPa permet de compenser la diminution de la limité élastique de 280 à 260 MPa. De même augmenter le module d’élasticité de 80 à 100 GPa avec la même limite d’élasticité Rp0,2 permet encore d’améliorer l’amincissement de typiquement 6% comme le montrent les exemples A6 et A8 du tableau 3.

[Tableau 1]

[Tableau 3]

Le centre de recyclage de l’usine de Neuf Brisach présente actuellement une empreinte carbone inférieure à 0.3 t CO2 eq / 1.

Des plaques de fonderie ont été coulées par coulée semi continue verticale avec la composition selon le tableau 4, puis scalpées pour enlever la couche corticale. [Tableau 4]

Les plaques de fonderie ont ensuite été réchauffées, laminées à chaud, puis laminées à froid en tôles minces qui fùrent mises en solution et trempées selon les conditions du tableau 5. Ensuite, les tôles minces A, B et C ont subi le traitement thermique de 85°C pendant 8 heures. Compte tenu de l’apparition de criques de rives sur les plaques de fonderie D et E pendant le laminage à froid, le laminage à froid a été fait en deux étapes séparées par un recuit de 350°C pendant 1 heure pour éviter l’apparition de criques sur la tôle mince.

[Tableau 5]

Les tôles minces ont ensuite été soumises à un traitement thermique de revenu selon le tableau 6.

[Tableau 6]

Les tôles minces ainsi obtenues ont été caractérisés mécaniquement dans le sens travers par rapport au sens de laminage au tableau 7.

[Tableau 7] Les tôles minces ont également été caractérisées en corrosion inter granulaire, mesurée selon la norme ISO 11846, après deux vieillissements pour évaluer la tenue à la corrosion pendant l’utilisation du véhicule.

[Tableau 8]