EP1065283B1 - Tôle d'acier à moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage - Google Patents

Tôle d'acier à moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage Download PDF

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EP1065283B1
EP1065283B1 EP00401866A EP00401866A EP1065283B1 EP 1065283 B1 EP1065283 B1 EP 1065283B1 EP 00401866 A EP00401866 A EP 00401866A EP 00401866 A EP00401866 A EP 00401866A EP 1065283 B1 EP1065283 B1 EP 1065283B1
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EP
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temperature
strip
steel
carbon
annealing
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EP00401866A
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Mohamed Bouzekri
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Sollac SA
Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/04—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing
    • C21D8/0447—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing characterised by the heat treatment
    • C21D8/0468—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing characterised by the heat treatment between cold rolling steps
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C21D9/48—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals deep-drawing sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/04—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing
    • C21D8/0421—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing characterised by the working steps
    • C21D8/0436—Cold rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D8/0447—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing characterised by the heat treatment
    • C21D8/0473—Final recrystallisation annealing

Definitions

  • the present invention relates to the field of steels for application in the field of metal packaging, food, non food or industrial.
  • the thicknesses of the steel sheets for packaging vary from 0.12 mm to 0.25 mm for the majority of uses, but may achieve greater thicknesses, up to 0.49 mm for very specific applications. This is for example the case of some non-food packaging, such as certain aerosols, or certain industrial packaging. They can also go down up to 0.08 mm, for example in the case of food trays.
  • Steel sheets for packaging are usually coated a metallic coating (tin, remelted or not, or chrome) on which is generally deposited an organic coating (varnish, inks, films plastics).
  • the carbon content usually targeted for this type of steel is between 0.040% and 0.080%, because contents higher than 0.080% lead to electrical weldability problems, which is unacceptable for the production of food packaging in three pieces including the body is a welded ferrule.
  • a high carbon content induces cold rolling difficulties.
  • Levels below 0.040% induce a decrease in the hardness of the steel.
  • the manganese content is reduced to the maximum due to a unfavorable effect of this element on the value of the Lankford coefficient for non-degassed vacuum steels.
  • the manganese content targeted is between 0.35 and 0.50%.
  • These steel sheets are produced by cold rolling a hot strip, with a cold rolling rate of between 75% and more 90%, followed by continuous annealing at a temperature between 640 and 700 ° C, and a second cold rolling with an elongation rate during of this second cold rolling variable between 2% and 45% depending on the level of maximum breaking strength Rm targeted.
  • the present invention aims to provide a steel sheet medium carbon calmed aluminum for packaging that has, at maximum breaking strength equivalent to that of medium steels carbon calmed aluminum of the state of the art, an elongation rate A% higher.
  • the invention also relates to a medium carbon steel sheet calmed with aluminum for packaging, comprising by weight between 0.040 and 0.080% of carbon, between 0.35 and 0.50% of manganese, between 0.040 and 0.070% of aluminum, between 0.0035 and 0.0060% nitrogen, the remainder being iron and unavoidable residual impurities, manufactured according to the above process, characterized in that it has in the aged state a rate of elongation A% satisfying the relationship: (640 - Rm) / 10 ⁇ A% ⁇ (700 - Rm) / 11 Rm being the maximum breaking strength of the steel, expressed in MPa.
  • the steel comprises carbon in the free state and / or some carbides precipitated at low temperature, and has a number of grains per mm 2 greater than 20,000.
  • Figures 1 and 2 are diagrams showing the influence of the annealing temperature on the maximum breaking strength Rm.
  • Figure 3 is a diagram showing the influence of speed cooling on the maximum breaking strength Rm.
  • Figure 4 is a diagram showing the influence of speed cooling on the maximum breaking strength Rm and the rate elongation A%.
  • Figure 5 is a diagram showing the influence of speed cooling on hardness HR30T.
  • the contents of the main constituents of importance are indicated in 10 -3 % by weight.
  • the fifth to seventh columns relate to the hot rolling conditions: in the fifth column, the temperature of the end of hot rolling is indicated; in the sixth column, the winding temperature; in the seventh column, the thickness of the hot strip.
  • columns eight and nine relate to the cold rolling conditions: in the eighth column, the reduction rate of the cold rolling is indicated and in the ninth column, the final thickness of the cold strip.
  • This standard strip was subjected to differentiated annealing followed by second cold rollings also differentiated.
  • the annealing holding temperatures varied from 650 ° C to 800 ° C, the cooling rates varied from 40 ° C / s to 400 ° C / s, and the rates of elongation on second rolling varied from 1% to 42%.
  • the invention does not lie mainly in the composition of steel, which is a medium carbon steel calmed down to standard aluminum.
  • Nitrogen is put in excess if one wishes to obtain a hard steel and aging. Generally, it is between 0.0035 and 0.0060%.
  • Aluminum is used to calm steel. Generally it is between 0.040 and 0.070%.
  • a hot winding can be carried out by practicing for example a selective winding: the temperature is higher in ends of the strip.
  • the field of Cold reduction rate ranges from 75% to over 90%.
  • Metallurgical considerations are based on the incidence of the rate of cold reduction on the microstructural state, and by way of consequence on the mechanical characteristics after recrystallization and annealing.
  • the more the cold reduction rate increases the more the temperature of the lower the recrystallization, the weaker the grains and the more Re and Rm are high.
  • the reduction rate can have a very strong impact on the Lankford coefficient.
  • metal without horns In the case of requirements in terms of drawing horns, it for example, optimize the steel grade and especially the content of carbon, and the reduction rate of cold rolling with hardness or mechanical characteristics desired to obtain a metal known as “metal without horns ".
  • An important characteristic of the invention lies in the annealing temperature. It is important that the annealing temperature is higher than the point of start of pearlitic transformation Ac 1 (of the order of 720 ° C. for this type of steel).
  • cooling rate which must be greater than 100 ° C / s.
  • austenite rich in carbon
  • the rapid cooling of this austenite makes it possible to maintain a certain amount of carbon in the free state and / or a precipitation of carbides at low temperature, fine and dispersed.
  • This carbon in the free state and / or these carbides formed at low temperature promote the blocking of dislocations, which makes it possible to achieve high levels of mechanical characteristics without requiring a significant reduction during the second cold rolling which follows.
  • Figures 1 and 2 show the influence of the annealing at constant cooling rate (Aimed at 100 ° C / s and performed 73 to 102 ° C / s in Figure 1; Aimed at 300 ° C / s and performed 228 to 331 ° C / s on the Figure 2) on the maximum breaking strength Rm.
  • This phenomenon is glimpsed in Figure 2 on which we notice, for elongation rates greater than 10%, a decrease in the increase in maximum tensile strength Rm between the annealed sample at 750 ° C and the sample annealed at 800 ° C.
  • the strip holding time between 720 ° C and 800 ° C must be sufficient to return all the carbon corresponding to the equilibrium solution. A hold for 10 seconds is sufficient to ensure this redissolution of the amount of carbon corresponding to the equilibrium for steels whose carbon content is between 0.040 and 0.080%, and maintenance beyond 2 minutes, although possible, is unnecessary and costly.
  • Figures 3 and 4 show the influence of the speed of cooling at constant annealing temperature (750 ° C) maintained for 20 seconds.
  • the maximum tensile strength Rm of the steel is equal to around 550 MPa if the cooling rate is equal to 100 ° C / s, while it only reaches 460 MPa if the cooling rate is equal to 50 ° C / s.
  • Micrographic analyzes of the samples revealed that the number of grains per mm 2 is greater (greater than 20,000), and that the carbides, when they are formed, are intergranular cementite.
  • this manufacturing process makes it possible to produce a medium carbon steel calmed with aluminum for packaging, comprising by weight between 0.040 and 0.080% of carbon, between 0.35 and 0.50% of manganese, between 0.040 and 0.070% of aluminum, between 0.0035 and 0.0060% nitrogen, the rest being iron and unavoidable residual impurities, which in the aged state has an elongation rate A% satisfying the relationship: (640 - Rm) / 10 ⁇ A% ⁇ (700 - Rm) / 11
  • This additional heat treatment makes it possible to obtain a non-aging metal, including after tinning and vernissage.

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Description

La présente invention concerne le domaine des aciers pour application dans le domaine de l'emballage métallique, alimentaire, non alimentaire ou industriel.
Les aciers élaborés pour des utilisations propres à l'emballage métallique se différencient surtout des tôles minces par leurs caractéristiques physiques.
Les épaisseurs des tôles d'acier pour emballage varient de 0,12 mm à 0,25 mm pour la plus grande majorité des utilisations, mais peuvent atteindre des épaisseurs plus importantes, jusqu'à 0,49 mm pour des applications très particulières. C'est par exemple le cas de certains emballages non alimentaires, comme par exemple certains aérosols, ou le cas de certains emballages industriels. Elles peuvent également descendre jusqu'à 0,08 mm, par exemple dans le cas des barquettes alimentaires.
Les tôles d'acier pour emballage sont habituellement revêtues d'un revêtement métallique (étain, refondu ou non, ou chrome) sur lequel est généralement déposé un revêtement organique (vernis, encres, films plastiques).
Dans le cas des emballages deux-pièces, ceux-ci sont réalisés par emboutissage sous serre-flan, ou par emboutissage/repassage pour les boites boissons, et sont généralement des boites axisymétriques, cylindriques ou tronconiques. Cependant, les emballagistes montrent un intérêt de plus en plus marqué pour des aciers d'épaisseurs toujours plus faibles, de 0,12 mm à 0,075 mm et, dans le souci de se différencier des concurrents, ils cherchent à innover dans des formes de plus en plus complexes. Aussi trouvons nous maintenant des boites de formes originales, fabriquées dans des tôles d'acier de faibles épaisseurs qui, bien que présentant de plus grandes difficultés de formage, doivent répondre aux critères d'utilisation (tenue mécanique de l'emballage, résistance à la charge axiale qu'ils subissent lors de leur entreposage en empilement, résistance à la surpression interne qu'ils subissent pendant le traitement thermique de stérilisation et à la dépression interne qu'ils subissent après le refroidissement) et donc présenter une très haute résistance mécanique.
Ainsi, la mise en oeuvre et la performance de ces emballages dépendent d'un certain nombre de caractéristiques mécaniques de l'acier :
  • le coefficient d'anisotropie planaire ΔC aniso,
  • le coefficient de Lankford,
  • la limite d'élasticité Re,
  • la résistance maximale à la rupture Rm,
  • l'allongement A%,
  • l'allongement réparti Ag%.
Pour conférer à l'emballage une tenue mécanique équivalente à épaisseur d'acier inférieure, il est indispensable que la tôle d'acier présente une résistance maximale à rupture plus élevée.
Pour la réalisation d'emballages, il est connu d'utiliser des aciers standards à moyen carbone et bas manganèse, calmés à l'aluminium.
La teneur en carbone visée habituellement pour ce type d'acier est comprise entre 0,040% et 0,080%, car des teneurs supérieures à 0,080% conduisent à des problèmes de soudabilité électrique, ce qui est rédhibitoire pour la réalisation des emballages alimentaires en trois pièces dont le corps est une virole soudée. De plus, une forte teneur en carbone induit des difficultés de laminage à froid. Des teneurs inférieures à 0,040% induisent une diminution de la dureté de l'acier.
La teneur en manganèse est reduite au maximum en raison d'un effet défavorable de cet élément sur la valeur du coefficient de Lankford pour des aciers non dégazés sous vide. Ainsi la teneur en manganèse visée est comprise entre 0,35 et 0,50%.
Ces tôles d'acier sont réalisées par laminage à froid d'une bande à chaud, avec un taux de laminage à froid compris entre 75% et plus de 90%, suivi d'un recuit en continu à une température comprise entre 640 et 700°C, et d'un second laminage à froid avec un taux d'allongement au cours de ce second laminage à froid variable entre 2% et 45% selon le niveau de résistance maximale à la rupture Rm visé.
Mais, pour les aciers à moyen carbone calmés à l'aluminium, des caractéristiques mécaniques élevées sont associées à une capacité d'allongement faible. Cette faible ductilité, outre le fait qu'elle est défavorable à la mise en forme de l'emballage, entraíne dans cette mise en forme un amincissement des parois qui va être défavorable aux performances de l'emballage.
Ainsi par exemple un acier moyen carbone calmé aluminium présentant une résistance maximale à la rupture Rm de l'ordre de 550 MPa, présentera un taux d'allongement A% de l'ordre de 1 à 3% seulement.
La présente invention a pour but de proposer une tôle d'acier moyen carbone calmé aluminium pour emballage qui présente, à niveau de résistance maximale à la rupture équivalente à celle des aciers moyen carbone calmés aluminium de l'état de la technique, un taux d'allongement A% plus élevé.
Pour obtenir ces caractéristiques, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une bande d'acier moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage, dans lequel :
  • on approvisionne une bande d'acier laminée à chaud comportant en poids entre 0,040 et 0,080 % de carbone, entre 0,35 et 0,50 % de manganèse, entre 0,040 et 0,070 % d'aluminium, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles inévitables,
  • on effectue un premier laminage à froid de la bande,
  • on soumet la bande laminée à froid à un recuit,
  • on effectue éventuellement un laminage à froid secondaire,
caractérisé en ce que le recuit est un recuit continu dont le cycle comporte une montée en température jusqu'à une température supérieure à la température de début de transformation perlitique Ac1, un maintien de la bande au dessus de cette température pendant une durée supérieure à 10 secondes, et un refroidissement rapide de la bande jusqu'à une température inférieure à 350°C à une vitesse de refroidissement supérieure à 100°C par seconde.
Selon d'autres caractéristiques du procédé selon l'invention :
  • la bande est maintenue au cours du recuit à une température comprise entre Ac1 et 800°C, pendant une durée de 10 secondes à 2 minutes ;
  • la vitesse de refroidissement est comprise entre 100°C par seconde et 500°C par seconde ;
  • la bande est refroidie à une vitesse supérieure à 100°C par seconde jusqu'à la température ambiante.
Selon une variante de réalisation, le recuit est un recuit continu dont le cycle comporte :
  • une montée en température jusqu'à une température supérieure à la température de début de transformation perlitique Ac1,
  • un maintien de la bande au dessus de cette température pendant une durée supérieure à 10 secondes,
  • un refroidissement rapide de la bande jusqu'à une température inférieure à 100°C à une vitesse de refroidissement supérieure à 100°C par seconde,
  • un traitement thermique à basse température comprise entre 100°C et 300°C pendant une durée supérieure à 10 secondes,
  • et un refroidissement jusqu'à la température ambiante.
L'invention concerne également une tôle d'acier moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage, comportant en poids entre 0,040 et 0,080 % de carbone, entre 0,35 et 0,50 % de manganèse, entre 0,040 et 0,070 % d'aluminium, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles inévitables, fabriquée selon le procédé ci-dessus, caractérisé en ce qu'elle présente à l'état vieilli un taux d'allongement A% satisfaisant la relation : (640 - Rm) / 10 ≤ A% ≤ (700 - Rm) / 11 Rm étant la résistance maximale à la rupture de l'acier, exprimée en MPa.
Selon d'autres caractéristiques de la tôle, l'acier comporte du carbone à l'état libre et/ou quelques carbures précipités à basse température, et présente un nombre de grains par mm2 supérieur à 20000.
Les caractéristiques et avantages apparaítront plus clairement dans la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, faite en référence aux figures jointes en annexe.
Les figures 1 et 2 sont des diagrammes montrant l'influence de la température de recuit sur la résistance maximale à rupture Rm.
La figure 3 est un diagramme montrant l'influence de la vitesse de refroidissement sur la résistance maximale à rupture Rm.
La figure 4 est un diagramme montrant l'influence de la vitesse de refroidissement sur la résistance maximale à rupture Rm et le taux d'allongement A%.
La figure 5 est un diagramme montrant l'influence de la vitesse de refroidissement sur la dureté HR30T.
Plusieurs essais ont été réalisés, tout d'abord en laboratoire puis en conditions industrielles, pour valider les caractéristiques de l'invention. Les résultats complets de deux de ces essais vont maintenant être décrits.
Ces essais concernent un acier à moyen carbone calmé à l'aluminium, dont les caractéristiques sont reproduites dans le tableau 1 ci-après.
Teneurs (10-3 %) Laminage à chaud Laminage à froid
C Mn Al N TFL
(°C)		 Tbob
(°C)		 Ep
(mm)		 T réd.
(%)		 Ep
(mm)
61 437 41 5,5 860/880 530/565 2,00 87 0,28
Dans les première à quatrième colonnes, on a indiqué en 10-3 % poids les teneurs des constituants principaux ayant une importance. Les cinquième à septième colonnes concernent les conditions de laminage à chaud : dans la cinquième colonne, on a indiqué la température de fin de laminage à chaud ; dans la sixième colonne, la température de bobinage ; dans la septième colonne, l'épaisseur de la bande à chaud. Enfin les colonnes huit et neuf concernent les conditions de laminage à froid : dans la huitième colonne, on a indiqué le taux de réduction du laminage à froid et dans la neuvième colonne, l'épaisseur finale de la bande à froid.
Cette bande standard a fait l'objet de recuits différenciés suivi de second laminages à froid également différenciés.
Les températures de maintien au recuit ont varié de 650°C à 800°C, les vitesses de refroidissement ont varié de 40°C/s à 400°C/s, et les taux d'allongement au second laminage ont varié de 1% à 42%.
Outre les examens micrographiques, la caractérisation du métal issu de ces différents essais a consisté d'une part à faire des tractions sur des éprouvettes ISO 12,5x50 dans le sens du laminage et en sens travers, à l'état frais et à l'état vieilli après vieillissement à 200°C pendant 20 minutes, d'autre part de déterminer la dureté HR30T également à l'état frais et à l'état vieilli.
Ces essais ont permis de démontrer qu'il est possible d'augmenter considérablement la résistance maximale à la rupture Rm pour le même acier moyen carbone calmé à l'aluminium, à taux d'allongement au second laminage à froid identique, si on pratique entre les deux laminages à froid un recuit continu selon les conditions de l'invention.
Dit autrement, ces essais ont permis de démontrer qu'il est possible d'augmenter considérablement la ductilité A% pour le même acier moyen carbone calmé à l'aluminium, à résistance maximale à la rupture Rm identique, si on pratique entre les deux laminages à froid un recuit continu selon les conditions de l'invention, car le même niveau de Rm est atteint avec un taux d'allongement plus faible au cours du second laminage. Ainsi, il devient possible de réaliser des qualités d'acier moyen carbone calmé à l'aluminium avec un niveau de Rm de l'ordre de 400 MPa sans nécessiter de second laminage après recuit, sauf peut être une opération d'écrouissage léger appelé skin-pass qui permet de supprimer le palier de limite d'élasticité présent sur le métal en sortie du recuit.
Incidence de la composition de l'acier
Comme indiqué précédemment, l'invention ne se situe pas principalement dans la composition de l'acier, qui est un acier moyen carbone calmé à l'aluminium standard.
Comme tous les aciers moyen carbone calmés à l'aluminium, ce sont essentiellement les teneurs en carbone et en manganèse qui sont importantes :
  • la teneur en carbone visée habituellement pour ce type d'acier est comprise entre 0,040% et 0,080%, car des teneurs supérieures à 0,080% conduisent à des problèmes de soudabilité électrique, ce qui est rédhibitoire pour la réalisation des emballages alimentaires en trois pièces dont le corps est une virole soudée. De plus, une forte teneur en carbone induit des difficultés de laminage à froid. Des teneurs inférieures à 0,040% induisent une diminution de la dureté de l'acier ;
  • la teneur en manganèse est reduite au maximum en raison d'un effet défavorable de cet élément sur la valeur du coefficient de Lankford pour des aciers non dégazés sous vide ; ainsi la teneur en manganèse visée est comprise entre 0,35 et 0,50%.
L'azote et l'aluminium sont également deux éléments qu'il convient de contrôler.
L'azote est mis en excès si on souhaite obtenir un acier dur et vieillissant. Généralement, il est compris entre 0,0035 et 0,0060%.
L'aluminium est utilisé pour calmer l'acier. Généralement, il est compris entre 0,040 et 0,070%.
Incidence des conditions de dénaturation à chaud
Les aciers moyen carbone calmés à l'aluminium recuits en continu sont laminés à une température supérieure à Ar3.
Le paramètre essentiel est la température de bobinage, et on préfère un bobinage froid, entre 500 et 620°C. En effet, le bobinage chaud, à une température supérieure à 650°C présente deux inconvénients :
  • il génère des hétérogénéités de caractéristiques mécaniques en liaison avec les différences de vitesses de refroidissement entre le coeur et les extrémités de la bande ;
  • il induit un risque de croissance anormale des grains, laquelle peut se produire pour certains couples (température de fin de laminage, température de bobinage) et peut constituer un défaut rédhibitoire aussi bien en tôle à chaud qu'en tôle à froid.
Néanmoins un bobinage chaud peut être effectué en pratiquant par exemple un bobinage sélectif : la température est plus élevée en extrémités de la bande.
Incidence des conditions de laminage à froid
De par les faibles épaisseurs finales à réaliser, le domaine du taux de réduction à froid s'étend de 75% à plus de 90%.
Les facteurs principaux qui interviennent dans la définition du taux de réduction à froid sont bien évidemment l'épaisseur finale du produit, et sur ce point on peut jouer sur l'épaisseur du produit à chaud, ainsi que des considérations métallurgiques.
Les considérations métallurgiques sont basées sur l'incidence du taux de réduction à froid sur l'état microstructural, et par voie de conséquence sur les caractéristiques mécaniques après recristallisation et recuit. Ainsi plus le taux de réduction à froid augmente, plus la température de recristallisation est faible, plus les grains sont faibles et plus Re et Rm sont élevés. En particulier, le taux de réduction peut avoir une incidence très forte sur le coefficient de Lankford.
Dans le cas d'exigences en termes de cornes d'emboutissage, il convient par exemple d'optimiser la nuance d'acier et surtout la teneur en carbone, et le taux de réduction du laminage à froid avec la dureté ou les caractéristiques mécaniques souhaitées pour obtenir un métal dit « métal sans cornes ».
Incidence du recuit
Une caractéristique importante de l'invention réside dans la température de recuit. Il est important que la température de recuit soit supérieure au point de début de transformation perlitique Ac1 (de l'ordre de 720°C pour ce type d'acier).
Une autre caractéristique importante de l'invention réside dans la vitesse de refroidissement qui doit être supérieure à 100°C/s.
Au cours du maintien de la bande à une température supérieure à Ac1, il se forme de l'austénite, riche en carbone. Le refroidissement rapide de cette austénite permet de maintenir une certaine quantité de carbone à l'état libre et/ou une précipitation de carbures à basse température, fins et dispersés. Ce carbone à l'état libre et/ou ces carbures formés à basse température favorisent le blocage des dislocations, ce qui permet d'atteindre des niveaux de caractéristiques mécaniques élevés sans nécessiter une réduction importante au cours du second laminage à froid qui suit.
Il est donc important de réaliser un refroidissement rapide, compris entre 100 et 500°C/s au moins jusqu'à une température inférieure à 350°C. Si le refroidissement rapide est arrêté avant 350°C, les atomes de carbone libres vont pouvoir se combiner et l'effet recherché ne sera pas atteint. Il est bien évident qu'un refroidissement rapide jusqu'à la température ambiante est possible.
Il est également possible d'effectuer un refroidissement à une vitesse supérieure à 500°C/s, mais la Demanderesse a constaté que au delà de 500°C/s, l'influence d'une augmentation de la vitesse de refroidissement n'est plus très significative.
Les figures 1 et 2 présentent l'influence de la température de recuit à vitesse de refroidissement constante (Visée 100°C/s et réalisée 73 à 102°C/s sur la figure 1 ; Visée 300°C/s et réalisée 228 à 331°C/s sur la figure 2) sur la résistance maximale à la rupture Rm.
On constate sur ces figures une nette augmentation de Rm à taux d'allongement du second laminage identique pour les aciers recuits à 740°C et à 780°C par rapport aux mêmes aciers recuits à 650°C et à 680°C.
Toutefois, cette influence de la température de recuit sur la résistance maximale à la rupture Rm n'est pas très perceptible pour des taux d'allongement au second laminage à froid inférieurs à 3%. Elle ne devient vraiment significative qu'à partir de 5% d'allongement au second laminage à froid.
Une température trop élevée, supérieure à 800°C, entraíne une précipitation, au moins partielle de l'azote sous la forme de nitrures d'aluminium. Cet azote précipité ne participe plus au durcissement de l'acier, ce qui a pour effet une baisse de la résistance maximale à la rupture Rm. Ce phénomène est entrevu sur la figure 2 sur laquelle on remarque, pour des taux d'allongement supérieurs à 10 %, une baisse de l'augmentation de la résistance maximale à la rupture Rm entre l'échantillon recuit à 750°C et l'échantillon recuit à 800°C.
Le temps de maintien de la bande entre 720°C et 800°C doit être suffisant pour remettre tout le carbone correspondant à l'équilibre en solution. Un maintien pendant 10 secondes est suffisant pour s'assurer cette remise en solution de la quantité de carbone correspondant à l'équilibre pour les aciers dont la teneur en carbone est comprise entre 0,040 et 0,080%, et un maintien au dela de 2 minutes, bien que possible, est inutile et coûteux.
Les figures 3 et 4 présentent l'influence de la vitesse de refoidissement à température de recuit constante (750°C) maintenue pendant 20 secondes.
Comme on peut le voir sur la figure 3, à 10% d'allongement au second laminage à froid, la résistance maximale à la rupture Rm de l'acier est égale à environ 550 MPa si la vitesse de refroidissement est égale à 100°C/s, alors qu'elle n'atteint que 460 MPa si la vitesse de refroidissement est égale à 50°C/s.
On peut donc réaliser un acier moyen carbone calmé à l'aluminium dont la valeur de Rm est égale à 550 MPa avec seulement 10% d'allongement au second laminage à froid si la vitesse de refroidissement est égale à 100°C/s, alors qu'il faut effectuer un second laminage à froid avec un taux d'allongement de 25% si la vitesse de refroidissement n'est que de 50°C/s.
Ce plus faible taux d'allongement au second laminage à froid permet de moins dégrader la ductilité de l'acier. On voit ainsi sur la figure 4 que l'acier dont Rm est égal à 550 MPa présente une ductilité A% égale à 10 lorsque la vitesse de refroidissement est égale à 100°C/s, alors qu'elle est égale à 2,5 lorsque la vitesse de refroidissement est égale à 50°C/s.
Cette constatation est également valable sur la dureté de l'acier. Comme on le voit sur la figure 5, pour un même taux d'allongement au second laminage à froid, la dureté de l'acier augmente si la vitesse de refroidissement est égale à 100°C/s. Cette augmentation de la dureté est due à une teneur en carbone libre plus élevée et/ou à la présence des précipités fins et dispersés.
Les analyses micrographiques des échantillons ont permis de constater que le nombre de grains par mm2 est plus important (supérieur à 20000), et que les carbures, lorsqu'ils se sont formés sont de la cémentite intergranulaire.
Ainsi ce procédé de fabrication permet de réaliser un acier moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage, comportant en poids entre 0,040 et 0,080 % de carbone, entre 0,35 et 0,50 % de manganèse, entre 0,040 et 0,070 % d'aluminium, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles inévitables, qui présente à l'état vieilli un taux d'allongement A% satisfaisant la relation : (640 - Rm) / 10 ≤ A% ≤ (700 - Rm) / 11
A titre de variante de réalisation, il est possible d'associer au refroidissement rapide un traitement thermique secondaire à basse température, avant l'opération de skin-pass.
Dans ce cas, le procédé de fabrication d'une bande d'acier à moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage comporte les étapes suivantes
  • on approvisionne une bande d'acier laminée à chaud comportant en poids entre 0,040 et 0,080 % de carbone, entre 0,15 et 0,25 % de manganèse, entre 0,040 et 0,070 % d'aluminium, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles inévitables,
  • on effectue un premier laminage à froid de la bande,
  • on soumet la bande laminée à froid à un recuit,
  • on effectue éventuellement un laminage à froid secondaire.
Le recuit est un recuit continu dont le cycle comporte :
  • une montée en température jusqu'à une température supérieure à la température de début de transformation perlitique Ac1,
  • un maintien de la bande au dessus de cette température pendant une durée supérieure à 10 secondes,
  • un refroidissement rapide de la bande jusqu'à une température inférieure à 100°C à une vitesse de refroidissement supérieure à 100°C par seconde,
  • un traitement thermique à basse température comprise entre 100°C et 300°C pendant une durée supérieure à 10 secondes,
  • et un refroidissement jusqu'à la température ambiante.
Ce traitement thermique complémentaire permet d'obtenir un métal non vieillissant, y compris après traitements d'étamage et de vernissage.

Claims (7)

  1. Procédé de fabrication d'une bande d'acier moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage, dans lequel :
    on approvisionne une bande d'acier laminée à chaud comportant en poids entre 0,040 et 0,080 % de carbone, entre 0,35 et 0,50 % de manganèse, entre 0,040 et 0,070 % d'aluminium, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles inévitables,
    on effectue un premier laminage à froid de la bande,
    on soumet la bande laminée à froid à un recuit,
    on effectue éventuellement un laminage à froid secondaire,
    caractérisé en ce que le recuit est un recuit continu dont le cycle comporte une montée en température jusqu'à une température supérieure à la température correspondant à l'eutectoïde de l'acier, un maintien de la bande au dessus de cette température pendant une durée supérieure à 10 secondes, et un refroidissement rapide de la bande jusqu'à une température inférieure à 350°C à une vitesse de refroidissement supérieure à 100°C par seconde.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande est maintenue au cours du recuit à une température comprise entre 720°C et 800°C, pendant une durée de 10 secondes à 2 minutes.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement est comprise entre 100°C par seconde et 500°C par seconde.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bande est refroidie à une vitesse supérieure à 100°C par seconde jusqu'à la température ambiante.
  5. Procédé de fabrication d'une bande d'acier à moyen carbone calmé à l'aluminium selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le recuit est un recuit continu dont le cycle comporte :
    une montée en température jusqu'à une température supérieure à la température de début de transformation perlitique Ac1,
    un maintien de la bande au dessus de cette température pendant une durée supérieure à 10 secondes,
    un refroidissement rapide de la bande jusqu'à une température inférieure à 100°C à une vitesse de refroidissement supérieure à 100°C par seconde,
    un traitement thermique à basse température comprise entre 100°C et 300°C pendant une durée supérieure à 10 secondes,
    et un refroidissement jusqu'à la température ambiante.
  6. Tôle d'acier moyen carbone calmé à l'aluminium pour emballage, comportant en poids entre 0,040 et 0,080 % de carbone, entre 0,35 et 0,50 % de manganèse, entre 0,040 et 0,070 % d'aluminium, entre 0,0035 et 0,0060% d'azote, le reste étant du fer et des impuretés résiduelles inévitables, fabriquée selon le procédé des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'elle présente à l'état vieilli un taux d'allongement A% satisfaisant la relation : (640 - Rm) / 10 ≤ A% ≤ (700 - Rm) / 11 Rm étant la résistance maximale à la rupture de l'acier, exprimée en MPa.
  7. Tôle d'acier selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'acier comporte du carbone à l'état libre et/ou quelques carbures précipités à basse température, et présente un nombre de grains par mm2 supérieur à 20000.
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