EP1143029B1 - Procédé de réalisation d'une pièce à très hautes caractéristiques mécanique, mise en forme par emboutissage, à partir d'une bande de tôle d'acier laminée et notamment laminée à chaud et revêtue - Google Patents

Procédé de réalisation d'une pièce à très hautes caractéristiques mécanique, mise en forme par emboutissage, à partir d'une bande de tôle d'acier laminée et notamment laminée à chaud et revêtue Download PDF

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EP1143029B1
EP1143029B1 EP01400861A EP01400861A EP1143029B1 EP 1143029 B1 EP1143029 B1 EP 1143029B1 EP 01400861 A EP01400861 A EP 01400861A EP 01400861 A EP01400861 A EP 01400861A EP 1143029 B1 EP1143029 B1 EP 1143029B1
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EP
European Patent Office
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zinc
coating
sheet
steel
alloy
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EP01400861A
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Ronald Kefferstein
Xavier Jartoux
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ArcelorMittal France SA
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USINOR SA
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    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a part with very high mechanical characteristics, shaped by hot stamping, from a strip of rolled steel sheet and in particular hot rolled and coated with a metal or a metal alloy providing protection of the surface and steel.
  • the steel sheets to be subjected to high temperature forming and / or a heat treatment are not delivered coated for reasons of resistance of the coating during the heat treatment, the heat treatment of the steels generally being carried out at relatively high temperatures well above 700 ° C. Indeed, a coating of zinc deposited on a metal surface has been considered until now as being able to melt, flow, foul the hot forming tools, during heating, at temperatures above the melting temperature of zinc , and degrade during rapid cooling. The coating is therefore performed on finished part which requires a careful cleaning of surfaces and hollow parts. This cleaning requires the use of acids and / or bases whose recycling and storage are a significant financial burden and present risks for operators and the environment.
  • the heat treatment must be carried out under a controlled atmosphere in order to avoid decarburization and oxidation of the steel. Then, in the case of hot forming, calamine, by its abrasive power, damages the forming tools, which reduces the quality of the parts obtained from the dimensional and aesthetic point of view or requires frequent and expensive repairs tools. Finally, to increase their resistance to corrosion, the parts thus obtained must receive an expensive post-processing whose application is difficult or impossible, especially in the case of parts with depressions.
  • the post-coatings of steels with very high mechanical characteristics also have the disadvantage of creating hydrogen embrittlement risks in electro-galvanizing techniques or modifying the mechanical properties of these steels in dip galvanizing techniques. previously formed parts.
  • the object of the invention is to propose to the users, steel sheets rolled from 0.2 mm to about 4 mm thick, coated in particular after hot rolling, and to be subjected to hot forming as well as a method of producing a part by hot forming, from these coated steel sheets, the temperature rise being ensured without decarburization of the steel of the sheet, without oxidation of the surface of said sheet, before, during and after hot shaping.
  • the method according to the invention as shown in the diagram of Figure 1 consists of a sheet of a steel for heat treatment and hot forming including hot rolled and coated with zinc or a base alloy zinc, in the production of hot formed part by means of tool such as a stamping press.
  • the zinc or zinc alloy coating is selected so as to provide corrosion protection for the base sheet in a coil.
  • the coating forms a layer which combines with the steel of the strip and present at this moment a mechanical strength avoiding the melting of coating metal.
  • the formed compound has high resistance to corrosion, abrasion, wear and fatigue.
  • the coating does not alter the formability properties of the steel and thus allows a wide variety of cold and hot forming.
  • the strip After hot rolling, the strip can be pickled and cold rolled before being coated. In the case where the sheet is cold rolled, it can be annealed before being coated.
  • the rolled sheet can be coated, for example, with zinc, or zinc aluminum alloys.
  • the sheet may be cold drawn to obtain the part.
  • the resulting part is then subjected to a heat treatment to give it high mechanical characteristics.
  • a base steel having a breaking strength Rm of about 500 MPa will make it possible to obtain heat-treated parts having a steel with a resistance Rm greater than 1500 MPa.
  • the sheet is subjected to a temperature rise preferably between 700 ° C and 1200 ° C in a furnace with an atmosphere no longer requiring control, because of the barrier to oxidation formed by the coating.
  • a temperature rise preferably between 700 ° C and 1200 ° C in a furnace with an atmosphere no longer requiring control, because of the barrier to oxidation formed by the coating.
  • the zinc-based coating is transformed into an alloyed surface layer having different phases depending on the temperature treatment and having a high hardness of more than 600 HV 100g.
  • sheets having a thickness of between 0.2 mm and 4 mm may be used, having good shaping properties as well as good corrosion resistance.
  • the sheets delivered coated have a significant resistance to corrosion during temperature rises, shaping, heat treatments, and during the use of finished formed parts.
  • the presence of the coating during hot forming avoids in addition to corrosion, the decarburization of the base steel.
  • This has an undeniable advantage in the case of hot forming, for example in a stamping press.
  • the formed intermetallic alloy avoids the formation of calamine, the wear of the tools by calamine, and thereby allows an extension of the average life of said tools. It has been noticed that the hot formed intermetallic alloy has a high temperature lubricant function.
  • the effect of protection against decarburization of the intermetallic alloy allows the use of high temperature furnace exceeding 900 ° C having an uncontrolled atmosphere, and this, even for heating times of several minutes.
  • the parts obtained Due to the characteristics of the coating after temperature rise, the parts obtained have an increased resistance to fatigue, wear, abrasion and corrosion, including on the wafer because of the galvanic behavior of the zinc with the steel.
  • the coating is weldable before and after temperature rise.
  • the steel of the sheet ensures, by cooling quenching effect, high mechanical characteristics of the part obtained after forming, the coating converted into a hot intermetallic alloy, for its part, because of its lubricant qualities and resistance to friction, an improvement in shaping, especially in the field of hot stamping.
  • Example 1 zinc coating on steel.
  • One piece is made from cold-rolled steel sheet 1mm thick and galvanized continuously double-sided, with a coating thickness of about 10 microns.
  • the sheet is austenitized at 950 ° C. before hot forming and quenched in the tool, the coating acting as a lubricant during shaping, in addition to its functions of protection against cold, hot and cold corrosion. decarburization.
  • the alloy coating does not interfere with the extraction of heat by the tool and can promote it. After forming and quenching, it is no longer necessary to strip the part or to protect it, the base coating providing protection throughout the process.
  • the part produced is of a matte gray appearance without sag or bubble, without flaking or cracks, and not presenting no calamine on the slice, in section.
  • Scanning electron microscopic observations show on the surface and in section that the coating retains a homogeneous structure and texture and that Fe-Zn alliation occurs in less than 5 minutes at 950 ° C.
  • the coating comprises as shown in a comparative manner in FIGS. 3a and 3b respectively representing, in section, the coating before and after heat treatment, a Zn diffusion interface, with a thickness of between 5 and 10 ⁇ m, is a layer formed by nodules of Zn-Fe alloy in a zinc matrix, layer with a thickness of between 10 and 15 ⁇ m.
  • Table 1 below shows the loss of corrosion mass after 500 and 1000 hours of salt spray, for an uncoated reference steel, for a galvanized reference steel without heat treatment, and a steel according to two forms of the invention.
  • Table 1 Loss of mass in g / m 2 After 500 hours Loss of mass in g / m 2 After 1000 hours
  • the coating after heat treatment is resistant to salt spray.
  • this surface composed of zinc and iron, can be phosphated in conventional surface treatment baths of the phosphating type.
  • the corrosion tests carried out after phosphating and cataphoresis painting show excellent results.
  • the zinc iron alloy layer also provides galvanic protection for cathodic protection type slices.
  • Example 2 zinc aluminum coating on steel.
  • a 10 ⁇ m coating is applied to a sheet of about 1 mm.
  • This coating is composed of 50 to 55% aluminum and 45 to 50% zinc with possibly a small amount of silicon.

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Description

  • L'invention concerne un procédé de réalisation d'une pièce à très hautes caractéristiques mécaniques, mise en forme par emboutissage à chaud, à partir d'une bande de tôle d'acier laminée et notamment laminée à chaud et revêtue d'un métal ou d'un alliage métallique assurant une protection de la surface et de l'acier.
  • Les tôles en acier devant subir un formage à haute température et ou un traitement thermique ne sont pas livrées revêtues pour des considérations de tenue du revêtement lors du traitement thermique, le traitement thermique des aciers se faisant généralement à des températures relativement élevées bien supérieures à 700°C. En effet, un revêtement de zinc déposé sur une surface métallique a été considéré jusqu'à présent comme pouvant fondre, s'écouler, encrasser les outils de formage à chaud, lors de chauffage, à des températures supérieures à la température de fusion du zinc, et se dégrader lors d'un refroidissement rapide.
    Le revêtement est donc effectué sur pièce finie ce qui nécessite un nettoyage soigné des surfaces et des parties creuses. Ce nettoyage requiert l'utilisation d'acides et ou de bases dont le recyclage et le stockage sont une charge financière importante et présentent des risques pour les opérateurs et pour l'environnement. De plus, le traitement thermique doit être effectué sous atmosphère contrôlée afin d'éviter toute décarburation et oxydation de l'acier. Ensuite, dans le cas du formage à chaud, la calamine, de par son pouvoir abrasif, endommage les outils de mise en forme, ce qui diminue la qualité des pièces obtenues du point de vue dimensionnel et esthétique ou oblige à de fréquentes et coûteuses réparations d'outils. Enfin, pour augmenter leur résistance à la corrosion, les pièces ainsi obtenues doivent recevoir un post traitement coûteux dont l'application est difficile, voire impossible, en particulier dans le cas de pièces comportant des creux. Les post-revêtements des aciers à très hautes caractéristiques mécaniques ont également comme inconvénient de créer des risques de fragilisation par l'hydrogène dans les techniques d'électro-zingage ou de modifier les propriétés mécaniques de ces aciers dans des techniques de galvanisation au trempé des pièces préalablement formées.
  • Le but de l'invention est de proposer aux utilisateurs, des tôles d'acier laminées de 0,2 mm à environ 4 mm d'épaisseur, revêtues notamment après laminage à chaud, et devant subir une mise en forme à chaud ainsi qu'un procédé de réalisation de pièce par formage à chaud, à partir de ces tôles d'acier revêtues, l'élévation de température étant assurée sans décarburation de l'acier de la tôle, sans oxydation de la surface de ladite tôle, avant, pendant et après la mise en forme à chaud.
  • L'invention a pour objet un procédé de réalisation d'une pièce à très hautes caractéristiques mécaniques, mise en forme par emboutissage, à partir d'une bande de tôle d'acier laminée, notamment laminée à chaud et revêtue d'un métal ou d'un alliage métallique en zinc ou en alliage à base de zinc assurant une protection de la surface et de l'acier, caractérisée en ce que :
    • on découpe la tôle pour l'obtention d'un flan de tôle,
    • on effectue un emboutissage à chaud, à partir du flan de tôle pour obtenir la pièce,
    • on réalise, avant emboutissage, un composé allié intermétallique, en surface, assurant une protection contre la corrosion, contre la décarburation de l'acier, le composé intermétallique pouvant assurer une fonction de lubrification, ledit composé étant obtenu par transformation du revêtement en un alliage métallique par une élévation de température supérieure à 700°C,
    • on retire par découpage, les excédents de tôle nécessaires à l'opération d'emboutissage.
  • Dans une forme préférentielle de l'invention, à l'issue de l'emboutissage à chaud
    • on refroidit la pièce formée par emboutissage pour conférer des caractéristiques mécaniques de dureté élevées de l'acier et une dureté superficielle élevée du revêtement.
  • Les autres caractéristiques de l'invention sont :
    • le métal ou l'alliage métallique du revêtement est du zinc ou un alliage à base de zinc d'une épaisseur comprise entre 5 µm et 30 µm.
    • l'alliage intermétallique est un composé à base de zinc-fer ou à base de zinc-fer-aluminium.
    • la pièce obtenue par emboutissage est refroidie pour subir une trempe, à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe.
  • La description qui suit et les figures annexées feront bien comprendre l'invention.
    • La figure 1 est un schéma de principe de l'invention.
    • La figure 2 est un schéma de principe d'un autre procédé ne faisant pas partie de l'invention.
    • Les figures 3a et 3b sont des photographies, en coupe, d'une partie de pièce, présentant un revêtement zinc réalisé selon l'invention, avant et après traitement thermique.
    • Les figures 4a et 4b sont des photographies, en coupe, d'une partie de pièce, présentant un revêtement zinc aluminium réalisé selon l'invention, avant et après traitement thermique.
  • Le procédé selon l'invention comme présenté sur le schéma de la figure 1, consiste, à partir d'une tôle d'un acier pour traitement thermique et formage à chaud notamment laminé à chaud et revêtu de zinc ou d'un alliage à base de zinc, en la réalisation de pièce mise en forme à chaud au moyen d'outil comme une presse d'emboutissage.
  • Le revêtement de zinc ou d'alliage de zinc est choisi de manière à générer une protection contre la corrosion de la tôle de base, en bobine.
  • Contrairement aux idées reçues, lors d'un traitement thermique ou d'une élévation de température pour la mise en forme à chaud, le revêtement forme une couche qui s'allie avec l'acier de la bande et présente à ce moment une tenue mécanique évitant la fusion de métal de revêtement. Le composé formé présente une grande résistance à la corrosion, à l'abrasion, à l'usure et à la fatigue. Le revêtement ne modifie pas les propriétés de formabilité de l'acier et autorise ainsi une grande variété de mise en forme à froid et à chaud.
  • De plus l'utilisation du zinc ou d'un alliage de zinc génère une protection galvanique des tranches lorsque le flan de tôle ou la pièce présente des découpes.
  • Après laminage à chaud, la bande peut être décapée et laminée à froid avant d'être revêtue. Dans le cas ou la tôle est laminée à froid, celle ci peut être recuite avant d'être revêtue.
  • On peut revêtir la tôle laminée, par exemple, avec du zinc, ou des alliages zinc aluminium.
  • Dans un autre procédé ne faisant pas partie de l'invention et représenté sur le schéma de la figure 2, la tôle peut être emboutie à froid pour l'obtention de la pièce. La pièce obtenue est ensuite soumise à un traitement thermique pour lui conférer des caractéristiques mécaniques élevées. Par exemple, un acier de base ayant une résistance à la rupture Rm d'environ 500 MPa permettra d'obtention de pièces traitées thermiquement ayant un acier avec une résistance Rm supérieure à 1500 MPa.
  • Pour la mise en form à chaud de la pièce, la tôle est soumise à une élévation de température comprise de préférence entre 700°C et 1200°C dans un four comportant une atmosphère ne nécessitant plus de contrôle, du fait de la barrière à l'oxydation formée par le revêtement. Lors de l'élévation de la température, le revêtement à base de zinc se transforme en une couche alliée en surface comportant différentes phases dépendant du traitement en température et présentant une grande dureté pouvant dépasser 600 HV 100g.
  • Dans le procédé de l'invention, on peut utiliser des tôles dont l'épaisseur est comprise entre 0,2 mm et 4 mm, ayant de bonnes propriétés de mise en forme ainsi qu'une bonne résistance à la corrosion.
  • Les tôles livrées revêtues, présentent une résistance importante à la corrosion pendant les élévations de température, la mise en forme, les traitements thermiques, et lors de l'utilisation des pièces formées finies.
  • La présence du revêtement lors de formages à chaud permet d'éviter en plus de la corrosion, la décarburation de l'acier de base. Cela à un avantage indéniable dans le cas d'une mise en forme à chaud par exemple dans une presse d'emboutissage. En effet, l'alliage intermétallique formé évite, la formation de la calamine, l'usure des outils par la calamine, et permet de ce fait, un allongement de la vie moyenne desdits outils. Il a été remarqué que l'alliage intermétallique formé à chaud, a une fonction de lubrifiant à haute température. De plus, l'effet de protection contre la décarburation de l'alliage intermétallique permet l'usage de four haute température dépassant 900°C ayant une atmosphère non contrôlée, et cela, même pour des temps de chauffe de plusieurs minutes.
  • En sortie de four, il n'est plus nécessaire de décaper la pièce obtenue, d'où une économie du fait de la suppression du bain de décapage des pièces finies.
  • De par les caractéristiques du revêtement après élévation de température, les pièces obtenues ont une résistance accrue à la fatigue, à l'usure, à l'abrasion et à la corrosion, y compris sur tranche du fait du comportement galvanique du zinc avec l'acier. De plus, le revêtement est soudable avant et après élévation de température.
  • L'acier de la tôle assure, par effet de trempe au refroidissement, des caractéristiques mécaniques élevées de la pièce obtenue après mise en forme, le revêtement transformé en un alliage intermétallique à chaud assurant pour sa part, du fait de ses qualités de lubrifiant et de résistance aux frottements, une amélioration de la mise en forme, notamment, dans le domaine de l'emboutissage à chaud.
    • Exemple 1 : revêtement de zinc sur acier.
  • Dans un exemple de réalisation, on utilise une bande de tôle laminée à chaud en acier de composition pondérale suivante :
    • carbone : 0,15% à 0,25%,
    • manganèse : 0,8% à 1,5%,
    • silicium : 0,1% à 0,35%,
    • chrome : 0,01% à 0,2%,
    • titane : moins de 0,1%,
    • aluminium : moins de 0,1%,
    • phosphore : moins de 0,05%,
    • soufre : moins de 0,03%,
    • bore : 0,0005% à 0,01%.
  • On réalise une pièce à partir de la tôle d'acier laminé à froid de 1mm d'épaisseur et galvanisée en continu double face, avec une épaisseur de revêtement de 10 µm environ. On austénitise la tôle à 950°C avant formage à chaud et trempe dans l'outil, le revêtement assurant un rôle de lubrifiant lors de la mise en forme, en plus de ses fonctions de protection contre la corrosion à froid, à chaud et contre la décarburation. Lors de la trempe, le revêtement allié ne gène pas l'extraction de la chaleur par l'outil et peut la favoriser. Après formage et trempe, il n'est plus nécessaire de décaper la pièce ou de la protéger, le revêtement de base assurant la protection tout au long du procédé.
  • Après mise en forme à chaud et de ce fait, traitement thermique, la pièce réalisée est d'un aspect gris mat sans coulure ni bulle, sans écaillage ou fissures, et ne présentant pas de calamine sur la tranche, en coupe. Des observations au microscope électronique à balayage montrent en surface et en coupe, que le revêtement garde une structure et une texture homogènes et que l'alliation Fe-Zn se manifeste en moins de 5 minutes à 950°C.
  • Le revêtement comprend comme représenté de manière comparative sur les figures 3a et 3b représentant respectivement, en coupe, le revêtement avant et après traitement thermique, une interface de diffusion du Zn, d'une épaisseur comprise entre 5 et 10 µm, est une couche formée par des nodules d'alliage Zn-Fe dans une matrice de zinc, couche d'une épaisseur comprise entre 10 et 15 µm.
  • Des essais de corrosion en humidité et température suivant la norme DIN 50 017 montrent que le revêtement selon l'invention assure une excellente protection contre la corrosion après 30 cycles, les surfaces des pièces gardant leur aspect gris.
  • Le tableau 1 suivant présente la perte de masse par corrosion après 500 et 1000 heures de brouillard salin, pour un acier de référence non revêtu, pour un acier de référence galvanisé sans traitement thermique, et un acier selon deux formes de l'invention. Tableau 1.
    Pertes de masse en g/m2 Après 500 heures Pertes de masse en g/m2 Après 1000 heures
    Acier de référence 450 g/m2 1230 g/m2
    Acier galvanisé de référence 80 g/m2 140 g/m2
    Acier revêtu Zn après traitement thermique 32 g/m2 82 g/m2
    Acier revêtu Zn-Al après traitement thermique 22 g/m2 50 g/m2
  • Comme on peut le remarquer, le revêtement après traitement thermique résiste bien au brouillard salin. De plus cette surface, composée de zinc et de fer peut se phosphater dans des bains classiques de traitement de surface du type phosphatation trication. Les essais de corrosion réalisés après phosphatation et peinture cataphorèse montrent d'excellents résultats. La couche alliée zinc fer assure de plus une protection galvanique des tranches du type protection cathodique.
    • Exemple 2 : revêtement de zinc aluminium sur acier.
  • Un revêtement de 10 µm est appliqué sur une tôle de 1mm environ. Ce revêtement est composé de 50 à 55% d'aluminium et de 45 à 50% de zinc avec éventuellement une petite quantité de silicium.
  • L'aspect de ce revêtement en coupe, après formage à chaud est présenté sur les figures 4a et 4b.
  • Lors du formage à chaud, le zinc, l'aluminium, et le fer s'allient pour former un revêtement de zinc-aluminium-fer homogène et adhérent. Les tests de corrosion montrent que cette couche alliée assure une très bonne protection contre la corrosion.

Claims (5)

  1. Procédé de réalisation d'une pièce à très hautes caractéristiques mécaniques, mise en forme par emboutissage, à partir d'une bande de tôle d'acier laminée, notamment laminée à chaud et revêtue d'un métal ou d'un alliage métallique en zinc ou en alliage à base de zinc assurant une protection de la surface et de l'acier, procédé dans lequel
    - on découpe la tôle pour l'obtention d'un flan de tôle,
    - on effectue un emboutissage à chaud, à partir du flan de tôle pour obtenir la pièce,
    - on réalise, avant emboutissage, un composé allié intermétallique, en surface, assurant une protection contre la corrosion, contre la décarburation de l'acier, le composé intermétallique pouvant assurer une fonction de lubrification, ledit composé étant obtenu par transformation du revêtement en un alliage intermétallique par une élévation de température supérieure à 700°C,
    - on retire par découpage, les excédents de tôle nécessaires à l'opération d'emboutissage.
  2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que:
    - à l'issue de l'emboutissage à chaud, on refroidit la pièce formée par emboutissage pour conférer des caractéristiques mécaniques de dureté élevées de l'acier et une dureté superficielle élevée du revêtement.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le métal ou l'alliage métallique du revêtement est du zinc ou un alliage à base de zinc d'une épaisseur comprise entre 5 µm et 30 µm.
  4. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'alliage intermétallique est un composé à base de zinc-fer ou de zinc-fer-aluminium.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la pièce obtenue par emboutissage est refroidie pour subir une trempe, à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe.
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