EP1378577B1 - Procédé pour le traitement thermique d'une bande d'acier laminée à froid, apte au formage, et bande d'acier ainsi obtenue - Google Patents

Procédé pour le traitement thermique d'une bande d'acier laminée à froid, apte au formage, et bande d'acier ainsi obtenue Download PDF

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EP1378577B1
EP1378577B1 EP03447154A EP03447154A EP1378577B1 EP 1378577 B1 EP1378577 B1 EP 1378577B1 EP 03447154 A EP03447154 A EP 03447154A EP 03447154 A EP03447154 A EP 03447154A EP 1378577 B1 EP1378577 B1 EP 1378577B1
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EP
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temperature
steel strip
steel
annealing
annealing temperature
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EP03447154A
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EP1378577A1 (fr
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Annick De Paepe
Jean-Claude Herman
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Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Original Assignee
Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
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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
    • 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
    • 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
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/185—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering from an intercritical temperature
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    • 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
    • C21D8/0473—Final recrystallisation annealing
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    • 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
    • C21D8/0426—Hot rolling

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of cold rolled steel strips, particularly steel strips for forming processes, for example deep drawing.
  • the invention relates more particularly to a method for the heat treatment of a cold-rolled steel strip, in order to give it a high strength and high formability.
  • the steel strips for forming operations are cold-rolled strips.
  • This type of strip has in fact favorable properties, and in particular good ductility, for the operations envisaged. In general, these properties are the result of well-known thermal annealing and cooling treatments.
  • the annealing is carried out by heating the steel strip to an annealing temperature located in the intercritical range of the equilibrium diagram of the steel, between the transformation points A1 (eutectoid temperature ) and A3 (minimum temperature at which the austenitic phase ⁇ is the only stable phase of the steel).
  • the steel strip is then maintained at this annealing temperature for a time sufficient to convert the initial ferritic structure of the steel into a mixed ferrite and austenite structure.
  • Quenching is then carried out by quenching the steel strip to a temperature below the transformation temperature of austenite to martensite.
  • the annealing temperature located in the intercritical range between the equilibrium points A1 and A3 of the steel, is selected so as to ensure the formation of at most 20% (preferably from 10 to 15%). %) in volume of austenite in the mixed structure of ferrite and austenite, in order to give the steel a high strength without significantly affecting its ductility.
  • temperatures from 725 to 825 ° C.
  • the temperatures below 350 ° C. for example the temperatures of 120 to 340 ° C. or the ambient temperature, are mentioned.
  • the heat treatment of the steel strips according to the method described above is preferably carried out in a continuous process, in an on-line installation. Reasons for investment and congestion on the ground make it necessary to limit the duration of the different steps of the process.
  • the heating of the steel strip to the annealing temperature is carried out at a speed of at least 150 ° C./s, advantageously from 150 to 350 ° C. C / s, the maintenance of the steel strip at this temperature does not exceed 20 s and the cooling rate up to the critical quenching temperature Ms is at least 300 ° C / s (for example 300 at 1000 ° C / s).
  • the document JP-A-60 100 630 discloses a process in which a steel strip containing, by weight, 0.02 to 0.15% C, 0.2 to 3.5% Mn, 0.01 to 0.15% P and not more than 0 , 10% Al and, in addition, at least one or two, selected from group A, consisting of 1-1.5% Si, 0.1 to 1% Cr and Mo respectively and 5-100 ppm B, and the group B consisting of 0.01 to 0.20% V and Ti respectively and 0.01 to 0.10% Nb, the remainder being iron, is subjected to a quench of 3-60 seconds in a temperature range from transformation point Ac3 to Ac3 + 50 ° C.
  • the steel strip is then cooled in the biphasic region of ferrite and austenite in the temperature range from transformation point Ar3 to transformation point Ar1 and is maintained for at least 20 seconds at this temperature.
  • the value 3.95 of equation (2) is modified in 3.40 in the case of the addition of B.
  • the aim of the invention is to remedy this drawback of the known method described above, by providing a new process for the heat treatment of a cold-rolled steel strip, which confers on it reproducible mechanical strength properties, particularly high ductility and high strength, in online industrial installations of reduced size.
  • the invention relates to a method for heat treating a cold-rolled steel strip, comprising heating to an annealing temperature above A3, stabilizing at said annealing temperature and quenching to a temperature below the Martensitic transformation critical temperature Ms, the method being characterized by selecting an annealing temperature higher than the austenitic transformation temperature A3 and in that between the annealing temperature stabilization and quenching the steel strip is cooled to an intermediate temperature in the intercritical range between transformation points A1 and A3 and is stabilized at said intermediate temperature.
  • the temperatures A1 and A3 are well known in the iron and steel environment.
  • the temperature A1 corresponds to the temperature of the eutectoid of the equilibrium diagram of the iron-carbon alloy. It is about 725 ° C but may vary depending on the alloying elements of the steel and the heating rate of the steel strip to the annealing temperature.
  • the temperature A3 is the minimum temperature at which the phase ⁇ is the only stable phase of the steel. It depends on the composition of the steel, particularly its carbon content, and the heating rate up to the annealing temperature.
  • the critical temperature Ms of martensitic transformation is also well known in the iron and steel industry. It is the limit temperature under which, during rapid cooling of the steel from the annealing temperature, the austenite is transformed into martensite without formation of perlite. This critical temperature and the cooling rate required for transformation to martensite depend on the steel composition and the annealing temperature.
  • the annealing temperature is higher than the temperature A3 of the steel, so that the treated steel is then in the austenitic range of the phase equilibrium diagram of the steel.
  • the choice of the optimum temperature of the annealing will depend on the composition of the steel, in particular its carbon content. In the case of a low alloy steel, comprising from 0.08 to 0.15% by weight of carbon, the annealing temperature is generally greater than 830 ° C and is advantageously between 850 and 880 ° C.
  • the heating of the steel strip to the annealing temperature is advantageously carried out at high speed, so as to reduce the size of the annealing installation and to optimize the crystal structure of the steel. Speeds above 100 ° C / sec are recommended, with speeds of 100 to 300 ° C / sec being preferred.
  • the heating of the steel to the annealing temperature can be carried out in an oven heated by any conventional heating means. This may for example include natural gas heating, oil heating or induction electric heating. Such ovens are well known in the art.
  • the steel strip After heating to the annealing temperature, the steel strip is subjected to a stabilization step. During this period, the steel strip is maintained at the annealing temperature for a time sufficient to convert the steel to austenite and form a homogeneous austenite.
  • the duration of this stabilization step depends on the temperature at which it is carried out and the composition of the steel. This stabilization step being performed in a thermostatically controlled oven, it is advantageous to make it as short as possible, for reasons of space and investment. In practice, it is generally maintained under 1 minute, the durations of 1 to 20 s generally suitable.
  • the intercritical domain is the equilibrium domain of steel, located between the temperature A1 and the temperature A3. It corresponds to the coexistence domain of an ⁇ ferritic phase and a ⁇ austenitic phase.
  • the choice of the optimum value for the intermediate temperature will depend on the desired properties for the steel strip subjected to heat treatment. In general, it is chosen so that at equilibrium there corresponds at most 20% (for example from 5 to 20%) by weight of austenite, the values of 10 to 15% by weight of austenite generally being suitable. good.
  • This optimum temperature depends on the temperature A3 of the steel in question and, consequently, on the composition thereof and can easily be determined from the equilibrium diagram of the steels. In practice, temperatures of 600 to 750 ° C are suitable in most cases.
  • the cooling to the intermediate temperature is generally carried out using gas cooling ("gas jet cooling"). We do it advantageously at a speed greater than 50 ° C / s, for example 100 to 150 ° C / s.
  • the cooling of the steel strip to the intermediate temperature is followed by stabilization at this temperature.
  • Stabilization at the intermediate temperature consists in maintaining the steel strip at the selected intermediate temperature for a time sufficient to transform a fraction of the austenite into ferrite and reach the thermodynamic equilibrium of the two phases in the presence (ferritic and austenitic).
  • the duration of stabilization at the intermediate temperature is generally greater than 2 s. In practice, it is usually at least 5 s. It is not beneficial for it to exceed 25 seconds. The durations of 5 to 15 s are generally well suited.
  • the stabilization phase at the intermediate temperature is preferably carried out in a low inertia furnace, also called a tunnel furnace.
  • the steel strip is quenched. This consists in cooling the steel strip to a temperature below the critical temperature Ms, with a cooling rate sufficient to convert the austenitic phase to martensite without forming perlite.
  • the choice of the optimum values for the quenching temperature and the cooling rate will depend in particular on the composition of the steel and the intermediate temperature. These optimum values can easily be determined by laboratory tests.
  • a quenching start temperature is chosen between 600 and 750 ° C. and a cooling rate greater than 100 ° C./s.
  • the quenching may for example be carried out by spraying a mist of water and compressed air or by immersion in a hot water bath (for example example at a temperature of 70 to 90 ° C).
  • speeds of 300 to 1000 ° C / s are especially recommended.
  • quenching is carried out by immersing the steel strip in a galvanizing bath, ideally a molten zinc bath at a temperature of 460 to 500 ° C.
  • the steel strip after quenching, is subjected to an overaging operation. compatible with galvanization, intended to precipitate the soluble carbon formed during the transformation of austenite to martensite. This operation reduces the sensitivity of the steel to aging and improves its ductility.
  • the method according to the invention makes it possible to give cold-rolled steel strips optimum mechanical properties, which are reproducible, in online industrial installations, which do not require a space requirement and an excessive investment.
  • This advantageous result of the process according to the invention in particular the reproducibility of the desired properties, is attributable, on the one hand, to the choice of an annealing temperature which places the thermodynamic equilibrium point of the steel in the austenitic zone. and, on the other hand, to precede quenching with cooling to an intermediate temperature which places the representative point of the steel in the intercritical domain.
  • the inventors have found that this advantageous result of the process according to the invention originates in the rate of transformation and diffusion of carbon in the steel during the annealing and during the intermediate cooling which follows it.
  • the method according to the invention applies to all low carbon steel strips of the two-phase (or "dual phase") type defined above. It is especially suitable for 0.3 to 2 mm thick cold-rolled LC ('Low Carbon') steel strips for forming as used in the manufacture of components used in the automotive industry. More particularly, the heat treatment method according to the invention is particularly applicable to steel strips with low carbon and manganese contents, in particular to steel strips containing from 0.06 to 0.2% by weight of carbon and 0.6 to 2.0% by weight of manganese. Examples of LC steels for which the process according to the invention is well suited comprise from 0.08 to 0.15% by weight of carbon and from 0.6 to 1.5% by weight of manganese. The silicon content is preferably less than 0.5% by weight, for example between 0.01 and 0.4% by weight.
  • the cold rolled steel strip used in the heat treatment process according to the invention generally comes from a slab manufactured in a hot rolling mill.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a steel strip suitable for forming, wherein a steel slab is subjected to hot rolling at a temperature in the zone. austenitic steel, the hot rolled sheet is subjected to a winding at a temperature of 680 to 750 ° C, then to a cold rolling with a reduction rate of 50 to 80% and then subject the sheet recovered from cold rolling to a heat treatment according to the invention.
  • steel strips are manufactured for the automotive industry.
  • the figure 1 is a diagram schematizing the different operating steps of two distinct processes for the heat treatment of a mild steel strip with a two-phase structure, intended for forming.
  • the figure 2 is a diagram showing the mechanism of formation of austenite with ordinate the volume fraction indicated by P, from a homogeneous ferritic structure (curve 11) or from a homogeneous austenitic structure (curve 12).
  • the abscissa represents the time and the ordinate scale represents the temperatures.
  • the line designated as a whole by the reference numeral 1 represents the heat treatment process of the state of the art.
  • the line designated as a whole by the reference numeral 5 represents a thermal treatment method according to the invention.
  • Line 11 corresponds to the heat treatment according to the state of the art (shown schematically by line 1 to figure 1 ) and line 12 corresponds to the heat treatment according to the invention (shown schematically by line 5 to figure 1 ).
  • the steel initially in the equilibrium zone of the ferrite is heated to the annealing temperature T 1 located in the intercritical zone of the equilibrium diagram (between the temperatures A1 and A3) .
  • T 1 located in the intercritical zone of the equilibrium diagram (between the temperatures A1 and A3) .
  • a fraction of the ferrite turns into austenite and a substantial time t 1 is required to reach equilibrium.
  • the steel is first heated to the annealing temperature T 2 located in the equilibrium zone of the austenite (higher than the temperature A3 of the equilibrium diagram). The time required to obtain a transformation of all the ferrite into austenite is very short and represented by t 2 . Then, the steel is cooled to the intermediate temperature T 3 located in the intercritical zone of the equilibrium diagram and maintained at this temperature the time required to obtain a transformation of a fraction of austenite to ferrite.
  • a strip of low alloy steel (0.1% by weight of carbon and 1.25% by weight of manganese) 0.7 mm thick, from a cold rolling mill, was used.
  • the steel strip has been subjected to a heat treatment, in order to give it a two-phase structure (or "dual phase") comprising martensite grains dispersed in a ferrite matrix.
  • the steel strip has been subjected to a heat treatment according to the state of the art, shown schematically by the line 1 to the figure 1 .
  • This heat treatment consisted of rapid heating for a few seconds up to an annealing temperature of 800 ° C, stabilization at that temperature for 3 minutes and quenching to room temperature.
  • the steel strip has been subjected to a heat treatment according to the state of the art, shown schematically by the line 1 to the figure 1 .
  • This heat treatment consisted of rapid heating for a few seconds up to an annealing temperature of 800 ° C, stabilization at this temperature for 3 minutes followed cooling in boiling water (2 seconds) to a temperature of 641 ° C and quenching to room temperature.
  • the steel strip has been subjected to a heat treatment according to the state of the art, shown schematically by the line 1 to the figure 1 .
  • This heat treatment consisted of rapid heating for a few seconds up to an annealing temperature of 800 ° C, stabilization at this temperature for 3 minutes followed by cooling in air (14 seconds) to a temperature of 516 ° C and quenched to room temperature.
  • the steel strip has been subjected to a heat treatment according to the invention, schematically represented by the line 5 to the figure 1 .
  • This heat treatment consisted of rapid heating for a few seconds up to an annealing temperature of 865 ° C., stabilization at this temperature for 40 seconds, rapid intermediate cooling at a speed of greater than 100 ° C./s up to at a temperature of 650 ° C., stabilization at 650 ° C. for 10 seconds and quenching to room temperature.
  • a comparison of the results of Examples 1 to 3 shows that in the method of the prior art a stable two-phase structure of ferrite and martensite requires a long-time stabilization at the annealing temperature (3 minutes), followed by a preliminary cooling slow (14 seconds) before quenching. In the absence of this slow preliminary cooling, the structure obtained is not stable or reproducible or contains an undesirable perlite phase, detrimental to the mechanical properties of the steel strip.
  • the method of the invention makes it possible to obtain the desired characteristics in terms of stability of the microstructure and mechanical properties, without requiring a long annealing period or slow cooling before quenching.

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Description

    Objet de l'invention
  • La présente invention a pour objet la fabrication de bandes d'acier par laminage à froid, particulièrement les bandes d'acier destinées à des traitements de formage, par exemple l'emboutissage profond.
  • L'invention concerne plus particulièrement un procédé pour le traitement thermique d'une bande d'acier laminée à froid, dans le but de lui conférer une haute résistance et une grande formabilité.
    • Etat de la technique
  • D'une manière générale, les bandes d'acier destinées à des opérations de formage, notamment de haute formabilité, sont des bandes laminées à froid. Ce type de bande présente en effet des propriétés favorables, et en particulier une bonne ductilité, pour les opérations envisagées. D'une manière générale, ces propriétés sont le résultat de traitements thermiques de recuit et de refroidissement bien connus.
  • On sait par ailleurs qu'il est possible de produire des aciers présentant d'une part une haute résistance et d'autre part une ductilité élevée en leur conférant une structure biphasée (appelée aussi, en anglais, structure « dual phase »). Cette structure biphasée est essentiellement constituée par une matrice ferritique douce, dans laquelle sont dispersées de fines particules de martensite. En schématisant, on considère que la matrice ferritique assure la ductilité de l'acier, tandis que la résistance est donnée par la martensite, qui est une phase de dureté élevée, obtenue par une opération de trempe.
  • D'un point de vue métallurgique, on forme la structure biphasée définie ci-dessus dans une bande d'acier en soumettant celle-ci à un traitement thermique adéquat en plusieurs étapes comportant un recuit et une trempe. Selon un procédé connu, le recuit est opéré en chauffant la bande d'acier jusqu'à une température de recuit située dans le domaine intercritique du diagramme d'équilibre de l'acier, entre les points de transformation A1 (température de l'eutectoïde) et A3 (température minimum à laquelle la phase austénitique γ est la seule phase stable de l'acier). La bande d'acier est ensuite maintenue à cette température de 'recuit pendant un temps suffisant pour convertir la structure ferritique initiale de l'acier en une structure mixte de ferrite et d'austénite. On exécute ensuite la trempe en refroidissant brutalement la bande d'acier jusqu'à une température inférieure à la température Ms de transformation de l'austénite en martensite.
  • Un procédé de ce type est notamment décrit et revendiqué dans le document WO-A-02/00947 . Dans ce procédé connu, la température du recuit, située dans le domaine intercritique entre les points d'équilibre A1 et A3 de l'acier, est sélectionnée de façon à assurer la formation d'au maximum 20% (de préférence de 10 à 15%) en volume d'austénite dans la structure mixte de ferrite et d'austénite, afin de conférer à l'acier une résistance élevée sans affecter sensiblement sa ductilité. On cite les températures de 725 à 825°C. Pour la température de trempe, inférieure à la température critique Ms, on cite les températures inférieures à 350°C, par exemple les températures de 120 à 340°C ou la température ambiante.
  • Le traitement thermique des bandes d'acier selon le procédé décrit ci-dessus est de préférence effectué selon un processus continu, dans une installation en ligne. Des raisons d'investissement et d'encombrement au sol imposent de limiter la durée des différentes étapes du procédé. Ainsi, dans le procédé connu décrit dans la demande de brevet susdite, le chauffage de la bande d'acier jusqu'à la température de recuit est effectué à une vitesse d'au moins 150°C/s, avantageusement de 150 à 350°C/s, le maintien de la bande d'acier à cette température n'excède pas 20 s et la vitesse de refroidissement jusqu'à la température critique de trempe Ms est d'au moins 300°C/s (par exemple de 300 à 1000°C/s).
  • Dans le procédé connu qui vient d'être décrit, il s'est révélé particulièrement difficile, voire impossible, d'atteindre l'équilibre thermodynamique de la structure mixte de ferrite et d'austénite à l'issue du recuit, ce qui rend le procédé instable. En pratique, il est en effet apparu que cet équilibre ne pouvait être atteint qu'à la suite d'une très longue durée de maintien de la bande d'acier à la température de recuit. Cette longue durée nécessite la construction d'une ligne très longue, représentant des investissements importants d'exploitation industrielle.
  • Le document JP-A-60 100 630 décrit un procédé dans lequel une bande d'acier contenant, en poids, de 0,02 à 0,15% C, 0,2 à 3,5% Mn, 0,01 à 0,15% P et pas plus de 0,10% Al et, en outre, au moins un ou deux, sélectionnés parmi le groupe A, constitué de 1-1,5% Si, 0,1 à 1% Cr et Mo respectivement et 5-100 ppm B, et le groupe B constitué de 0,01 à 0,20% V et Ti respectivement et 0,01 à 0,10% Nb, le reste étant du fer, est soumise à une trempe de 3-60 secondes dans un intervalle de température allant du point de transformation Ac3 à Ac3 + 50°C. La bande d'acier est ensuite refroidie dans la région biphasique de ferrite et d'austénite dans le domaine de température allant du point de transformation Ar3 au point de transformation Ar1 et est maintenue pendant au moins 20 secondes à cette température. La bande est ensuite refroidie à la vitesse de refroidissement critique CR (°C/sec) de l'équation : logCR °C = - 1 , 73 ⁢ Mn % + 3 , 5 ⁢ P % + 3 , 95
    Figure imgb0001
    ou au-delà en vitesse moyenne dans un intervalle de température de 600-300°C et à la vitesse de l'équation : logCR °C = - 1 , 73 ⁢ Mn % + 0 , 26 ⁢ Si % + 3 , 5 ⁢ P % + 1 , 3 ⁢ Cr % + 2 , 67 ⁢ Mo % + 3 , 95
    Figure imgb0002
    ou au-delà, dans le cas d'ajout de Si, etc. Cependant, la valeur 3,95 de l'équation (2) est modifiée en 3,40 dans le cas d'ajout de B.
    • Buts de l'invention
  • L'invention vise à remédier à cet inconvénient du procédé connu décrit plus haut, en fournissant un procédé nouveau pour le traitement thermique d'une bande d'acier laminée à froid, qui confère à celle-ci des propriétés de résistance mécanique reproductibles, particulièrement une grande ductilité et une haute résistance, dans des installations industrielles en ligne d'encombrement réduit.
    • Principaux éléments caractéristiques de l'invention
  • L'invention concerne un procédé pour le traitement thermique d'une bande d'acier laminée à froid, comprenant un chauffage jusqu'à une température de recuit supérieure à la température A3, une stabilisation à ladite température de recuit et une trempe jusqu'à une température inférieure à la température critique Ms de transformation martensitique, le procédé étant caractérisé en ce qu'on sélectionne une température de recuit supérieure à la température A3 de transformation austénitique et en ce qu'entre la stabilisation à la température de recuit et la trempe, on soumet la bande d'acier à un refroidissement jusqu'à une température intermédiaire située dans le domaine intercritique entre les points de transformation A1 et A3, et on la stabilise à ladite température intermédiaire.
  • Dans le procédé selon l'invention, les températures A1 et A3 sont bien connues du milieu sidérurgique. La température A1 correspond à la température de l'eutectoïde du diagramme d'équilibre de l'alliage fer-carbone. Il est d'environ 725°C mais peut varier en fonction des éléments d'alliage de l'acier et de la vitesse de chauffage de la bande d'acier jusqu'à la température de recuit. La température A3 est la température minimum à laquelle la phase γ est la seule phase stable de l'acier. Elle dépend de la composition de l'acier, particulièrement de sa teneur en carbone, et de la vitesse de chauffage jusqu'à la température du recuit.
  • La température critique Ms de transformation martensitique est également bien connue dans le milieu sidérurgique. Elle est la température limite sous laquelle, lors d'un refroidissement rapide de l'acier depuis la température du recuit, l'austénite est transformée en martensite sans formation de perlite. Cette température critique et la vitesse de refroidissement nécessaire à la transformation en martensite dépendent de la composition de l'acier et de la température de recuit.
  • Selon l'invention, la température du recuit est supérieure à la température A3 de l'acier, de sorte que l'acier traité se trouve alors dans le domaine austénitique du diagramme d'équilibre des phases de l'acier. Le choix de la température optimum du recuit va dépendre de la composition de l'acier, notamment de sa teneur en carbone. Dans le cas d'un acier faiblement allié, comprenant de 0,08 à 0,15% en poids de carbone, la température du recuit est généralement supérieure à 830°C et se situe avantageusement entre 850 et 880°C.
  • Le chauffage de la bande d'acier jusqu'à la température de recuit est avantageusement effectué à grande vitesse, de manière à réduire l'encombrement de l'installation de recuit et à optimiser la structure cristalline de l'acier. Des vitesses supérieures à 100°C/s sont recommandées, les vitesses de 100 à 300°C/s étant préférées. Le chauffage de l'acier jusqu'à la température de recuit peut être effectué dans un four chauffé par tout moyen de chauffage classique. Celui-ci peut par exemple comprendre un chauffage au gaz naturel, un chauffage au mazout ou un chauffage électrique par induction. De tels fours sont bien connus en technique.
  • A l'issue du chauffage jusqu'à la température de recuit, la bande d'acier est soumise à une étape de stabilisation. Au cours de celle-ci, la bande d'acier est maintenue à la température du recuit pendant un temps suffisant pour transformer l'acier en austénite et former une austénite homogène. .La durée de cette étape de stabilisation dépend de la température à laquelle on l'effectue et de la composition de l'acier. Cette étape de stabilisation étant réalisée dans un four thermostatisé, on a intérêt à la rendre aussi courte que possible, pour des considérations d'encombrement et d'investissement. En pratique, on la maintient généralement sous 1 minute, les durées de 1 à 20 s convenant généralement bien.
  • Selon l'invention, la stabilisation à la température de recuit est suivie d'un refroidissement jusqu'à une température intermédiaire située dans le domaine intercritique. Par définition, le domaine intercritique est le domaine d'équilibre de l'acier, situé entre la température A1 et la température A3. Il correspond au domaine de coexistence d'une phase ferritique α et d'une phase austénitique γ. Le choix de la valeur optimum pour la température intermédiaire va dépendre des propriétés recherchées pour la bande d'acier soumise au traitement thermique. En général, on la choisit de manière qu'à l'équilibre il y corresponde au maximum 20% (par exemple de 5 à 20%) en poids d'austénite, les valeurs de 10 à 15% en poids d'austénite convenant généralement bien. Cette température optimum dépend de la température A3 de l'acier concerné et, par conséquent, de la composition de celui-ci et peut aisément être déterminée au départ du diagramme d'équilibre des aciers. En pratique, des températures de 600 à 750°C conviennent bien dans la majorité des cas.
  • Le refroidissement jusqu'à la température intermédiaire est généralement effectué à l'aide d'un refroidissement au gaz (« gas jet cooling »). On l'effectue avantageusement à une vitesse supérieure à 50°C/s, par exemple de 100 à 150°C/s.
  • Le refroidissement -de la bande d'acier jusqu'à la température intermédiaire est suivi d'une stabilisation à cette température. La stabilisation à la température intermédiaire consiste à maintenir la bande d'acier à la température intermédiaire sélectionnée pendant un temps suffisant pour transformer une fraction de l'austénite en ferrite et atteindre l'équilibre thermodynamique des deux phases en présence (ferritique et austénitique) . La durée de la stabilisation à la température intermédiaire est généralement supérieure à 2 s. En pratique, elle est habituellement d'au moins 5 s. On n'a pas intérêt à ce qu'elle dépasse 25 s. Les durées de 5 à 15 s conviennent généralement bien. La phase de stabilisation à la température intermédiaire est effectué de préférence dans un four à faible inertie, aussi nommé un four tunnel.
  • A l'issue de la stabilisation à la température intermédiaire, la bande d'acier est soumise à une trempe. Celle-ci consiste à refroidir la bande d'acier jusqu'à une température inférieure à la température critique Ms, avec une vitesse de refroidissement suffisante pour transformer la phase austénitique en martensite sans formation de perlite. Le choix des valeurs optimum pour la température de trempe et la vitesse de refroidissement va dépendre notamment de la composition de l'acier et de la température intermédiaire. Ces valeurs optimum peuvent être déterminées aisément par des essais au laboratoire. En pratique, on choisit une température de début de trempe entre 600 et 750°C et une vitesse de refroidissement supérieure à 100°C/s. La trempe peut par exemple être effectuée par pulvérisation d'un brouillard d'eau et air comprimé ou par immersion dans un bain d'eau chaude (par exemple à une température de 70 à 90°C). Pour le refroidissement jusqu'à la température de trempe, des vitesses de 300 à 1000°C/s sont spécialement recommandées.
  • Dans une forme de réalisation du procédé selon l'invention, on effectue la trempe en immergeant la bande d'acier dans un bain de galvanisation, idéalement un bain de zinc fondu à une température de 460 à 500°C.
  • Dans une autre forme de réalisation particulière du procédé selon l'invention, à l'issue de la trempe, on soumet la bande d'acier à une opération de survieillissement compatible avec la galvanisation, destinée à précipiter le carbone soluble formé lors de la transformation de l'austénite en martensite. Par cette opération, on réduit la sensibilité de l'acier au vieillissement et on améliore sa ductilité.
  • Par comparaison avec le procédé connu décrit plus haut, le procédé selon l'invention permet de conférer à des bandes d'acier laminées à froid des propriétés mécaniques optimum, qui sont reproductibles, dans des installations industrielles en ligne, ne nécessitant pas un encombrement et un investissement excessifs. Ce résultat avantageux du procédé selon l'invention, en particulier la reproductibilité des propriétés recherchées, est imputable, d'une part, au choix d'une température de recuit qui place le point d'équilibre thermodynamique de l'acier dans la zone austénitique et, d'autre part, à faire précéder la trempe d'un refroidissement jusqu'à une température intermédiaire qui place le point représentatif de l'acier dans le domaine intercritique. Les inventeurs ont trouvé que ce résultat avantageux du procédé selon l'invention trouve son origine dans la vitesse de transformation et de diffusion de carbone dans l'acier au cours du recuit et au cours du refroidissement intermédiaire qui suit celui-ci. Les inventeurs ont notamment trouvé que dans le procédé selon l'invention, la transformation directe d'une phase ferritique unitaire en une phase austénitique unitaire, par chauffage, suivie d'une transformation de ladite. phase austénitique unitaire en une phase mixte de ferrite et d'austénite par refroidissement requiert moins de temps qu'une transformation directe d'une phase ferritique unitaire en une phase mixte de ferrite et d'austénite par chauffage (procédé connu décrit dans le document WO-A-02/00947 ).
  • Le procédé selon l'invention s'applique à toutes les bandes d'acier à basse teneur en carbone du type biphasé (ou « dual phase ») défini plus haut. Il convient spécialement bien aux bandes d'acier LC ('Low Carbon') laminées à froid de 0,3 à 2 mm d'épaisseur, destinées à un formage tel qu'appliqué dans la fabrication de composants utilisés dans l'industrie automobile. Plus particulièrement, le procédé de traitement thermique selon l'invention s'applique spécialement bien aux bandes d'acier à basses teneurs en carbone et en manganèse, notamment aux bandes d'acier contenant de 0,06 à 0,2% en poids de carbone et de 0,6 à 2,0% en poids de manganèse. Des exemples d'aciers LC pour lesquels le procédé selon l'invention convient bien comprennent de 0,08 à 0,15% en poids de carbone et de 0,6 à 1,5% en poids de manganèse. La teneur en silicium est de préférence inférieure à 0,5% en poids, par exemple située entre 0,01 et 0,4% en poids.
  • La bande d'acier laminée à froid mise en oeuvre dans le procédé de traitement thermique selon l'invention provient généralement d'une brame fabriquée dans un laminoir à chaud.
  • En conséquence, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une bande d'acier adapté au formage, selon lequel on soumet une brame d'acier à un laminage à chaud à une température située dans la zone austénitique de l'acier, on soumet la tôle recueillie du laminage à chaud à un bobinage à une température de 680 à 750°C, puis à un laminage à froid avec un taux de réduction de 50 à 80% et on soumet ensuite la tôle recueillie du laminage à froid à un traitement thermique conforme à l'invention.
  • Selon le procédé de fabrication de bandes d'acier adapté au formage selon l'invention, on fabrique des bandes d'acier destinées à l'industrie automobile.
    • Brève description des figures
  • La figure 1 est un diagramme schématisant les différentes étapes opératoires de deux procédés distincts pour le traitement thermique d'une bande d'acier doux à structure biphasée, destinée à un formage.
  • La figure 2 est un schéma montrant le mécanisme de formation de l'austénite avec en ordonnée la fraction volumique indiquée par P, à partir d'une structure homogène ferritique (courbe 11) ou à partir d'une structure homogène austénitique (courbe 12).
  • Dans ces figures, des mêmes notations de référence ont des significations identiques.
    • Description détaillée de l'invention
  • A la figure 1, l'échelle des abscisses représente le temps et l'échelle des ordonnées représente les températures. La ligne désignée dans son ensemble par la notation de référence 1 représente le procédé de traitement thermique de l'état de la technique. La ligne désignée dans son ensemble par la notation de référence 5 représente un procédé de traitement thermique conforme à l'invention.
  • Le procédé selon l'état de la technique, schématisé par la ligne 1 à la figure 1 comprend les étapes successives. suivantes
    • un chauffage 2 de la bande d'acier jusqu'à une température de recuit T1 située dans la zone intercritique (entre les températures A1 et A3) de l'acier traité;
    • une stabilisation 3 de l'acier à la température de recuit T1;
    • une trempe 4 jusqu'à la température ambiante, à une vitesse supérieure à la vitesse critique de transformation de l'austénite en martensite.
  • Le procédé selon l'invention, schématisé par la ligne 5 à la figure 1, comprend les étapes opératoires suivantes :
    • un chauffage 6 de la bande d'acier jusqu'à une température de recuit T2 située dans la phase austénitique (au-dessus de la température A3) de l'acier traité ;
    • une stabilisation 7 de l'acier à la température de recuit T2;
    • un refroidissement 8 jusqu'à une température T3 située dans la zone intercritique (entre les températures A1 et A3) de l'acier traité;
    • une stabilisation 9 de l'acier à la température T3;
    • une trempe 10 jusqu'à la température ambiante, à une vitesse supérieure à la vitesse critique de transformation de l'austénite en martensite.
  • A la figure 2, l'échelle des abscisses désigne le temps et l'échelle des ordonnées désigne la teneur en austénite de l'acier. La ligne 11 correspond au traitement thermique selon l'état de la technique (schématisé par la ligne 1 à la figure 1) et la ligne 12 correspond au traitement thermique selon l'invention (schématisé par la ligne 5 à la figure 1).
  • Dans le traitement thermique schématisé par la ligne 11, l'acier initialement dans la zone d'équilibre de la ferrite est chauffé à la température de recuit T1 située dans la zone intercritique du diagramme d'équilibre (entre les températures A1 et A3). Une fraction de la ferrite se transforme en austénite et un temps substantiel t1 est nécessaire pour atteindre l'équilibre.
  • Dans le traitement thermique schématisé par la ligne 12, l'acier est d'abord chauffé à la température de recuit T2 située dans la zone d'équilibre de l'austénite (supérieure à la température A3 du diagramme d'équilibre). Le temps nécessaire pour obtenir une transformation de la totalité de la ferrite en austénite est très court et représenté par t2. Ensuite, l'acier est refroidi jusqu'à la température intermédiaire T3 située dans la zone intercritique du diagramme d'équilibre et maintenu à cette température le temps nécessaire pour obtenir une transformation d'une fraction d'austénite en ferrite.
  • On observe sur le diagramme de la figure 2 qu'avec le procédé selon l'invention, le temps total t3 nécessaire pour obtenir la structure biphasique stable de ferrite et d'austénite est nettement inférieur au temps t1 qui est nécessaire dans le procédé de l'état de la technique.
    • Description de quelques exemples d'exécution
  • Les exemples décrits ci-après vont faire apparaître l'intérêt du procédé selon l'invention.
  • Dans chacun des exemples on a mis en oeuvre une bande en acier faiblement allié (0,1% en poids de carbone et 1,25% en poids de manganèse) de 0,7 mm d'épaisseur, provenant d'un laminoir à froid. La bande d'acier a été soumise à un traitement thermique, dans le but de lui conférer une structure biphasée (ou « dual phase ») comprenant des grains de martensite dispersées dans une matrice de ferrite.
    • Exemple 1 (essai de référence)
  • La bande d'acier a été soumise à un traitement thermique conforme à l'état de la technique, représenté schématiquement par la ligne 1 à la figure 1. Ce traitement thermique a comporté un chauffage rapide 2 de quelques secondes jusqu'à une température de recuit de 800°C, une stabilisation 3 à cette température pendant 3 minutes et une trempe 4 jusqu'à la température ambiante.
  • A l'issue de l'essai, on a mesuré les propriétés mécaniques de la bande d'acier et on a analysé la structure cristalline de l'acier. Les résultats sont consignés dans le tableau 1 ci-dessous, dans lequel
    • YS désigne la limite élastique exprimée en mégapascal (MPa) ;
    • TS désigne la charge de rupture à la traction, exprimée en mégapascal (MPa) ;
    • Eltot désigne l'allongement total à la rupture par traction, exprimé en % de la longueur initiale de l'éprouvette ;
    • F désigne une phase de ferrite ;
    • M désigne une phase de martensite ;
    • P désigne une phase de perlite.
    Exemple 2 (essai de référence)
  • La bande d'acier a été soumise à un traitement thermique conforme à l'état de la technique, représenté schématiquement par la ligne 1 à la figure 1. Ce traitement thermique a comporté un chauffage rapide de quelques secondes jusqu'à une température de recuit de 800°C, une stabilisation à cette température pendant 3 minutes suivie d'un refroidissement dans l'eau bouillante (2 secondes) jusqu'à une température de 641°C et une trempe jusqu'à la température ambiante.
  • Les propriétés mécaniques et la structure de l'acier à l'issue de l'essai sont consignés dans le tableau 1 ci-dessous.
    • Exemple 3 (essai de référence)
  • La bande d'acier a été soumise à un traitement thermique conforme à l'état de la technique, représenté schématiquement par la ligne 1 à la figure 1. Ce traitement thermique a comporté un chauffage rapide de quelques secondes jusqu'à une température de recuit de 800°C, une stabilisation à cette température pendant 3 minutes suivie d'un refroidissement à l'air (14 secondes) jusqu'à une température de 516°C et une trempe jusqu'à la température ambiante.
  • Les propriétés mécaniques et la structure de l'acier à l'issue de l'essai sont consignés dans le tableau 1 ci-dessous.
    • Exemple 4 (conforme à l'invention)
  • La bande d'acier a été soumise à un traitement thermique conforme à l'invention, représenté schématiquement par la ligne 5 à la figure 1. Ce traitement thermique a comporté un chauffage rapide 6 de quelques secondes jusqu'à une température de recuit de 865°C, une stabilisation 7 à cette température pendant 40 secondes, un refroidissement intermédiaire rapide 8 de vitesse supérieure à 100°C/s jusqu'à une température de 650°C, une stabilisation 9 à la température de 650°C pendant 10 secondes et une trempe 10 jusqu'à la température ambiante.
  • Les propriétés mécaniques et la structure de l'acier à l'issue de l'essai sont consignés dans le tableau 1 ci-dessous. Tableau 1
    Exemple N° YS TS YS/TS Eltot Microstructure
    1 576 951 0,61 9 55%F+45%M
    2 276 545 0,51 15 91%F+3%M+6%P
    3 378 726 0,52 16 91%F+9%M
    4 313 633 0,58 17 91%F+9%M
  • Une comparaison des résultats des exemples 1 à 3 montre que dans le procédé de l'art antérieur une structure biphasée stable de ferrite et de martensite nécessite une stabilisation de longue durée à la température de recuit (3 minutes), suivie d'un refroidissement préliminaire lent (14 secondes) avant la trempe. En l'absence de ce refroidissement préliminaire lent, la structure obtenue n'est pas stable ni reproductible ou contient une phase de perlite inopportune, préjudiciable aux propriétés mécaniques de la bande d'acier. Le procédé de l'invention permet d'obtenir les caractéristiques souhaitées en terme de stabilité de la microstructure et propriétés mécaniques, sans nécessiter une longue période de recuit, ni un refroidissement lent avant la trempe.

Claims (10)

  1. Procédé pour le traitement thermique d'une bande d'acier laminée à froid à basse teneur en carbone, en vue de lui conférer une structure biphasée, ou « dual phase », comprenant des grains de martensite dispersés dans une matrice de ferrite, contenant, en poids, de 0,06 à 0,2% de carbone, 0,6 à 2% de manganèse et moins de 0,5% de silicium, de préférence entre 0,1 et 0,4% de silicium, ladite bande étant d'une épaisseur comprise entre 0,3 et 2 mm, ledit procédé comprenant :
    - un chauffage jusqu'à une température de recuit supérieure à la température A3 et une stabilisation à ladite température de recuit pendant une durée inférieure à une minute ;
    - un refroidissement à une vitesse supérieure à 50°C/s jusqu'à une température intermédiaire située dans le domaine intercritique entre les points de transformation A1 et A3, et une stabilisation à ladite température intermédiaire pendant une durée de 5 à 15 secondes et
    - une trempe jusqu'à une température inférieure à la température critique Ms de transformation martensitique, de sorte que, au cours du processus de trempe de la bande d'acier, on immerge celle-ci dans un bain de galvanisation maintenu à une température comprise entre 460 et 500°C.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on sélectionne comme température intermédiaire une température comprise entre 600 et 750°C, de préférence 650°C.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on sélectionne une température de recuit supérieure à 830°C.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on sélectionne une température de recuit comprise entre 850 et 880°C.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on exécute le chauffage jusqu'à la température de recuit à une vitesse supérieure à 100°C/s.
  6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on exécute le chauffage jusqu'à la température de recuit à une vitesse comprise entre 100 et 300°C/s.
  7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la stabilisation à la température de recuit est de 1 à 20 s.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue le refroidissement de la température de recuit jusqu'à la température intermédiaire à une vitesse comprise entre 100 et 150°C/s.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre une bande d'acier LC contenant de 0,08 à 0,15% en poids de carbone et de 0,6 à 1,5% en poids de manganèse.
  10. Procédé de fabrication d'une bande d'acier adapté au formage, selon lequel on soumet une brame d'acier à un laminage à chaud à une température située dans la zone austénitique de l'acier, on soumet la tôle recueillie du laminage à chaud à un bobinage à une température de 680 à 750°C, puis à un laminage à froid avec un taux de réduction de 50 à 80% et on soumet ensuite la tôle recueillie du laminage à froid à un traitement thermique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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