EP1534869B1 - Acier a tres haute resistance mecanique et procede de fabrication d une feuille de cet acier revetue de zinc ou d alliag e de zinc - Google Patents

Acier a tres haute resistance mecanique et procede de fabrication d une feuille de cet acier revetue de zinc ou d alliag e de zinc Download PDF

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EP1534869B1
EP1534869B1 EP03769565A EP03769565A EP1534869B1 EP 1534869 B1 EP1534869 B1 EP 1534869B1 EP 03769565 A EP03769565 A EP 03769565A EP 03769565 A EP03769565 A EP 03769565A EP 1534869 B1 EP1534869 B1 EP 1534869B1
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EP
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zinc
sheet
zinc alloy
coated
steel
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Jean-Luc Lapointe
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Arcelor France SA
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Definitions

  • the present invention relates to a steel with very high mechanical strength, and a method of manufacturing a sheet of this steel coated with zinc or zinc alloy.
  • dual phase steels have a microstructure composed of ferrite and martensite, which enables them to reach tensile strengths ranging from 400 MPa to more than 1200 MPa.
  • the surface of the sheets has a very poor wettability vis-à-vis zinc or zinc alloys.
  • the sheets then comprise uncoated portions, which constitute privileged areas for the initiation of corrosion.
  • the present invention therefore aims to provide a steel composition does not have the disadvantages of the compositions of the prior art, and having in particular a good coating ability with zinc or zinc alloys, while maintaining high mechanical characteristics.
  • a first object of the invention is constituted by a steel with very high mechanical strength, the chemical composition of which comprises, in% by weight: 0.080% ⁇ C ⁇ 0.120% 0.800% ⁇ Mn ⁇ 0.950% If ⁇ 0.300% Cr ⁇ 0.300% 0.150% ⁇ Mo ⁇ 0.350% 0.020% ⁇ Al ⁇ 0.100% P ⁇ 0.100% B ⁇ 0.010% Ti ⁇ 0.050% the remainder being iron and impurities resulting from the preparation, its microstructure consisting of ferrite and martensite.
  • This embodiment makes it possible to obtain a steel sheet having a tensile strength of the order of 500 MPa.
  • the steel comprises: 0.100% ⁇ C ⁇ 0.140% 0.800% ⁇ Mn ⁇ 0.950% If ⁇ 0.300% Cr ⁇ 0.300% 0.200% ⁇ Mo ⁇ 0.400% 0.020% ⁇ Al ⁇ 0.100% P ⁇ 0.100% B ⁇ 0.010% Ti ⁇ 0.050% the rest being iron and impurities resulting from the elaboration.
  • This embodiment makes it possible to obtain a steel sheet having a tensile strength of the order of 600 MPa.
  • a second object of the invention is constituted by a sheet of steel with very high mechanical strength according to the invention, and coated with zinc or zinc alloy.
  • the sheet is maintained at the holding temperature for 10 to 1000 seconds.
  • the zinc-containing bath or molten zinc alloy is maintained at a temperature of between 450 and 480 ° C, and the immersion time of the sheet is between 2 and 400 seconds.
  • the bath contains mainly zinc.
  • a fourth object of the invention is the use of a very high-strength steel sheet coated with zinc or zinc alloy, for the manufacture of auto parts.
  • the present invention is based on the new observation that by limiting the manganese, silicon and chromium contents to the maximum values claimed, excellent heatability of the shades thus produced can be obtained. Depending on the level of mechanical characteristics sought, the contents of quenching elements such as carbon and molybdenum, which have been found to be not detrimental to this coating, will be adjusted.
  • the steel composition according to the invention contains between 0.080 and 0.120%, by weight of carbon, since it has been observed that for a carbon content of less than 0.060%, the grade was no longer hardenable, and no longer allowed obtain the desired high mechanical characteristics. Beyond 0.250% by weight, the carbon greatly deteriorates the weldability of the grade.
  • the composition also contains between 0.800 and 0.950% by weight of manganese.
  • the lower limit is required to obtain a hardenable steel grade, while the upper limit must be respected in order to ensure a good coating of the grade.
  • the composition also contains up to 0.300% by weight of silicon.
  • the upper limit must be respected in order to ensure a good coating of the grade.
  • composition further contains up to 0.300% by weight of chromium.
  • the upper limit must be respected in order to ensure a good coating of the grade.
  • composition according to the invention must contain between 0.150 and 0.0350% by weight of molybdenum since it has been observed that for a content of less than 0.100%, the grade no longer makes it possible to obtain the desired high mechanical characteristics. Beyond 0.500% by weight, molybdenum greatly deteriorates the weldability of the grade.
  • composition may also optionally contain up to 0.010% by weight of boron which will then be protected if necessary by a content of 0.050% by weight maximum of titanium. This latter element has a greater affinity for nitrogen than boron, the trap by formation of titanium nitrides.
  • the steel composition may also contain various unavoidable residual elements, among which may be mentioned N, Nb, Cu, Ni, W, V.
  • the steel according to the invention finds particular applications in the field of the manufacture of parts for the automobile, and more particularly for the manufacture of visible parts such as bodywork elements, which will present a good appearance after painting, unlike those manufactured so far with the steels of the prior art.
  • compositions were produced in the form of 15 kg ingots.
  • the ingots were then reheated at 1250 ° C for 45 minutes, then hot rolled in 7 passes, the end of rolling temperature being 900 ° C.
  • the sheets thus obtained were cooled by quenching with water with a retarder at a cooling rate of the order of 25 ° C./s, and then wound at 550 ° C. before being cooled.
  • the sheets are then subjected to galvanization by dipping in a zinc bath, with a residence time in the bath depending on the selected line speed (between 80 and 150 m / min), then cooled at a speed of 5 ° C. / s to room temperature.
  • Test 1 Influence of the molybdenum content and the presence of boron
  • the sheets of shades A, B, C and F are hot dip galvanized and the dew point is adjusted to -40 ° C.
  • the sheets made in shades A and B have gaps in their coatings, unlike shades C and F which have continuous coatings.

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Description

  • La présente invention concerne un acier à très haute résistance mécanique, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une feuille de cet acier revêtue de zinc ou d'alliage de zinc.
  • Il existe plusieurs familles d'aciers à très haute résistance mécanique qui diffèrent par leurs compositions et par leurs microstructures. Ainsi, les aciers dits dual phase ont une microstructure composée de ferrite et de martensite, qui leur permet d'atteindre des résistances à la traction allant de 400 MPa à plus de 1200MPa.
  • Afin d'obtenir les microstructures qui permettront d'atteindre des caractéristiques mécaniques élevées, ces nuances sont assez fortement chargées en des éléments tels que le chrome, le silicium, le manganèse, l'aluminium ou le phosphore. Ces nuances posent cependant problème lorsque l'on souhaite les revêtir d'un revêtement protecteur contre la corrosion, par galvanisation au trempé à chaud, par exemple.
  • En effet, on observe que la surface des tôles présente une très mauvaise mouillabilité vis-à-vis du zinc ou des alliages de zinc. Les tôles comportent alors des parties non revêtues, qui constituent des zones privilégiées pour l'amorce d'une corrosion.
  • Pour pallier ce problème, différentes approches ont été proposées. Ainsi, on connaît des procédés consistant à effectuer un pré-revêtement d'un métal permettant de fournir une meilleure base d'accrochage pour le zinc. On a proposé à cet effet de déposer du fer, de l'aluminium, du cuivre et d'autres éléments, en général par électrodéposition. Ces procédés présentent l'inconvénient d'ajouter une étape supplémentaire avant la galvanisation proprement dite.
  • Il a également été proposé de faire passer les tôles dans des fours de recuit présentant, notamment, des atmosphères particulières, permettant d'oxyder sélectivement le fer, afin de former une couche d'oxyde de fer sur laquelle le zinc se dépose bien. Un tel procédé est cependant d'un réglage très délicat et nécessite un contrôle très strict des conditions d'oxydation.
  • La présente invention a donc pour but de mettre à disposition une composition d'acier ne présentant pas les inconvénients des compositions de l'art antérieur, et présentant en particulier une bonne aptitude au revêtement par du zinc ou des alliages de zinc, tout en conservant des caractéristiques mécaniques élevées.
  • A cet effet, un premier objet de l'invention est constitué par un acier à très haute résistance mécanique, dont la composition chimique comprend, en % en poids :
    0,080% ≤ C ≤ 0,120%
    0,800% ≤ Mn ≤ 0,950%
    Si ≤ 0,300%
    Cr ≤ 0,300%
    0,150% ≤ Mo ≤ 0,350%
    0,020% ≤ Al ≤ 0,100%
    P ≤ 0,100%
    B ≤ 0,010%
    Ti ≤ 0,050%
    le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, sa microstructure étant constituée de ferrite et de martensite.
  • Ce mode de réalisation permet d'obtenir une feuille d'acier ayant une résistance à la traction de l'ordre de 500MPa.
  • Dans un autre mode de réalisation préféré, l'acier comprend :
    0,100% ≤ C ≤ 0,140%
    0,800% ≤ Mn ≤ 0,950%
    Si ≤ 0,300%
    Cr ≤ 0,300%
    0,200% ≤ Mo ≤ 0,400%
    0,020% ≤ Al ≤ 0,100%
    P≤ 0,100%
    B ≤ 0,010%
    Ti ≤ 0,050%
    le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration.
  • Ce mode de réalisation permet d'obtenir une feuille d'acier ayant une résistance à la traction de l'ordre de 600MPa.
  • Un deuxième objet de l'invention est constitué par une feuille d'acier à très haute résistance mécanique conforme à l'invention, et revêtue de zinc ou d'alliage de zinc.
  • Un troisième objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication d'une feuille d'acier selon l'invention revêtue de zinc ou d'alliage de zinc, et qui comprend les étapes consistant à :
    • élaborer une brame dont la composition est conforme à l'invention, laminer à chaud, puis à froid ladite brame pour obtenir une feuille,
    • chauffer ladite feuille à une vitesse comprise entre 2 et 100°C/s jusqu'à atteindre une température de maintien comprise entre 700 et 900°C,
    • refroidir ladite feuille à une vitesse comprise entre 2 et 100°C/s jusqu'à atteindre une température proche de celle d'un bain contenant du zinc ou un alliage de zinc fondu, puis
    • revêtir ladite feuille de zinc ou d'un alliage de zinc par immersion dans ledit bain et la refroidir jusqu'à température ambiante à une vitesse de refroidissement comprise entre 2 et 100°C/s.
  • Dans un autre mode de réalisation préféré, la feuille est maintenue à la température de maintien pendant 10 à 1000 secondes.
  • Dans un autre mode de réalisation préféré, le bain contenant du zinc ou un alliage de zinc fondu est maintenu à une température comprise entre 450 et 480°C, et le temps d'immersion de la feuille est compris entre 2 et 400 secondes.
  • Dans un autre mode de réalisation préféré, le bain contient principalement du zinc.
  • Un quatrième objet de l'invention est constitué par l'utilisation d'une feuille à très haute résistance mécanique d'acier revêtue de zinc ou d'alliage de zinc, pour la fabrication de pièces d'automobiles.
  • La présente invention est basée sur le constat nouveau qu'en limitant les teneurs en manganèse, silicium et chrome aux valeurs maximum revendiquées, on peut obtenir une excellente revêtabilité des nuances ainsi produites. En fonction du niveau de caractéristiques mécaniques recherché, on ajustera les teneurs en éléments trempants tels que le carbone et le molybdène, dont on a pu constater qu'ils ne nuisent pas à cette revêtabilité.
  • A cet effet, on pourra par exemple utiliser la formule classique donnant le logarithme décimal de la vitesse critique de trempe V (en°C/s): Log V = 4 , 5 - 2 , 7 % C γ - 0 , 95 % Mn - 0 , 18 % Si - 0 , 38 % Cr - 1 , 17 % Mo - 1 , 29 % C × % Cr - 0 , 33 % Cr × % Mo
    Figure imgb0001
    où Cγ représente la teneur en carbone de l'austénite avant le refroidissement.
  • La composition d'acier selon l'invention contient entre 0,080 et 0,120%, en poids de carbone, car on a observé que pour une teneur en carbone inférieure à 0,060 %, la nuance n'était plus trempable, et ne permettait plus d'obtenir les caractéristiques mécaniques élevées recherchées. Au-delà de 0,250% en poids, le carbone détériore fortement la soudabilité de la nuance.
  • La composition contient également entre 0,800 et 0,950% en poids de manganèse. De même que pour le carbone, la limite inférieure est requise pour obtenir une nuance d'acier trempable, tandis que la limite supérieure doit être respectée afin d'assurer une bonne revêtabilité de la nuance.
  • La composition contient aussi jusqu'à 0,300% en poids de silicium. La limite supérieure doit être respectée afin d'assurer une bonne revêtabilité de la nuance.
  • La composition contient en outre jusqu'à 0,300% en poids de chrome. La limite supérieure doit être respectée afin d'assurer une bonne revêtabilité de la nuance.
  • Enfin, la composition selon l'invention doit contenir entre 0,150 et 0,0350% en poids de molybdène car on a observé que pour une teneur inférieure à 0,100%, la nuance ne permettait plus d'obtenir les caractéristiques mécaniques élevées recherchées. Au-delà de 0,500% en poids, le molybdène détériore fortement la soudabilité de la nuance.
  • La composition peut également contenir, à titre optionnel, jusqu'à 0,010% en poids de bore que l'on protègera alors si nécessaire par une teneur de 0,050% en poids au maximum de titane. Ce dernier élément présentant une affinité pour l'azote plus importante que le bore, le piège par formation de nitrures de titane.
  • La composition d'acier peut également contenir différents éléments résiduels inévitables, parmi lesquels on peut citer N, Nb, Cu, Ni, W, V.
  • On préfère en particulier limiter la teneur en azote qui peut rendre l'acier sensible au vieillissement.
  • Grâce à sa galvanisabilité améliorée, l'acier selon l'invention trouve notamment des applications dans le domaine de la fabrication de pièces pour l'automobile, et plus particulièrement pour la fabrication de pièces visibles telles que des éléments de carrosserie, qui présenteront un bon aspect après peinture, contrairement à ceux fabriqués jusqu'à présent avec les aciers de l'art antérieur.
  • La présente invention va à présent être illustrée à partir des observations et des exemples suivants, donnés à titre d'exemples non limitatifs, le tableau 1 donnant la composition chimique des aciers testés, en 10-3% en poids. Tableau 1
    C Mn Si Cr Mo Al B Ti N P S Cu Ni V
    A 59 1195 121 491 - 38 - - 5,4 11 2 6 23 -
    B 83 1546 361 204 - 24 - - 5,1 15 2 8 22 -
    C* 95 906 12 15 102 33 - - 2,3 25 4 9 20 -
    D** 93 909 10 15 205 33 - - 2,3 25 4 9 23 3
    E** 85 900 11 14 305 35 - - 2,6 25 4 9 25 3
    F** 90 900 11 15 306 33 1 27 2,5 25 4 9 25 4
    **selon l'invention
  • Ces différentes compositions ont été élaborées sous forme de lingots de 15 kg. Les lingots ont été ensuite réchauffés à 1250°C pendant 45 minutes, puis laminés à chaud en 7 passes, la température de fin de laminage étant de 900°C.
  • Les tôles ainsi obtenues ont été refroidies par trempe à l'eau avec ralentisseur à une vitesse de refroidissement de l'ordre de 25°C/s, puis bobinées à 550°C avant d'être refroidies.
  • Elles ont ensuite été laminées à froid avec un taux de réduction de 70% avant de subir le cycle thermique suivant :
    • chauffage à une vitesse de l'ordre de 30°C/s jusqu'à atteindre une température de maintien variant entre 770 et 810°C pendant un temps variant entre 50 et 80 secondes, pour simuler des vitesses de ligne allant de 80 à 150 m/min,
    • refroidissement de la feuille à une vitesse de l'ordre de 10°C/s jusqu'à atteindre 470°C.
  • Les feuilles sont ensuite soumises à une galvanisation au trempé dans un bain de zinc, avec un temps de séjour dans le bain dépendant de la vitesse de ligne choisie (entre 80 et 150 m/min), puis refroidies à une vitesse de 5°C/s jusqu'à température ambiante.
  • Pour chaque feuille, on mesure ensuite les caractéristiques mécaniques suivantes :
    • Rm : résistance à la traction en MPa
    • Rel : limite d'élasticité en MPa,
    • A : allongement à la rupture en %
    • Ag : allongement réparti en %.
    • P : palier en %,
    ainsi que la proportion de martensite des feuilles (%M). Essai 1 : Influence de la teneur en molybdène et de la présence de bore
  • Cette influence a été étudiée pour les nuances A à F, pour une température de maintien de 790°C et une vitesse de ligne de 120 m/min.
    Rm Rel A Ag P %M
    A 480 375 28,2 18,8 2,3 1
    B 540 360 28,3 17,6 - 3
    C* 466 380 28,8 19,9 4,6 1
    D** 526 324 29,0 18,8 0,6 4
    E** 563 282 26,6 17,9 0 7
    F** 673 393 15,2 11,8 0 6
    **selon l'invention
  • Pour les nuances selon l'invention, on constate qu'en augmentant la teneur en molybdène, on augmente la teneur en martensite, ce qui permet d'augmenter la résistance à la traction et d'abaisser la limite d'élasticité.
  • Par contre, l'addition de bore n'entraîne pas d'augmentation du pourcentage de martensite, mais conduit plutôt à un affinement de la martensite et des phases carburées.
    • Essai 2 : Influence du traitement thermique
  • Cette influence a été étudiée pour la nuance D pour trois vitesses de ligne et pour trois températures de maintien (en m/min):
    T maintien V ligne Rm A %M
    Nuance D 770 80 502 29,4 1
    120 528 27,6 4
    150 534 27,3 6
    790 80 500 26,2 2
    120 526 29,0 4
    150 530 28,6 6
    810 80 505 29,9 3
    120 521 25,8 4
    150 530 26,4 6
  • On constate que la température de maintien et la vitesse de ligne ont une faible influence sur les caractéristiques mécaniques obtenues. Ceci présente un grand intérêt pour une application industrielle qui en doit pas être sensible à ce type de variations.
  • Cette influence a ensuite été étudiée pour la nuance F :
    T maintien V ligne Rm A %M
    Nuance F 770 80 692 18,6 6
    120 687 15,3 6
    150 715 13,7 6
    790 80 664 17,3 6
    120 673 15,2 6
    150 688 16,6 6
    810 80 634 15,9 6
    120 654 16,0 6
    150 666 17,7 6
  • On constate que l'ajout de bore à la nuance selon l'invention stabilise de façon remarquable la proportion de martensite formée qui ne varie absolument pas, quels que soient les paramètres du traitement thermique.
    • Essai 3 : Galvanisabilité
  • On galvanise au trempé à chaud des feuilles des nuances A, B, C et F et en réglant le point de rosée à -40°C. Les feuilles réalisées dans les nuances A et B présentent des manques dans leurs revêtements, au contraire des nuances C et F qui présentent des revêtements continus.

Claims (7)

  1. Acier à très haute résistance mécanique, caractérisé en ce que sa composition chimique comprend, en % en poids : 0,080% ≤ C ≤ 0,120% 0,800% ≤ Mn ≤ 0,950% Si ≤ 0,300% Cr ≤ 0,300% 0,150% ≤ Mo ≤ 0,350% 0,020% ≤ Al ≤ 0,100% P ≤ 0.100% B ≤ 0,010% Ti ≤ 0.050%
    le reste étant du fer et des impuretés résultant de l'élaboration, sa microstructure étant constituée de ferrite et de martensite.
  2. Feuille à très haute résistance mécanique d'acier selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est revêtue de zinc ou d'alliage de zinc.
  3. Procédé de fabrication d'une feuille d'acier selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
    - élaborer une brame dont la composition est conforme à la revendication 1, laminer à chaud, puis à froid ladite brame pour obtenir une feuille,
    - chauffer ladite feuille à une vitesse comprise entre 2 et 100°C/s jusqu'à atteindre une température de maintien comprise entre 700 et 900°C.
    - refroidir ladite feuille à une vitesse comprise entre 2 et 100°C/s jusqu'à atteindre une température proche de celle d'un bain contenant du zinc ou un alliage de zinc fondu, puis
    - revêtir ladite feuille de zinc ou d'un alliage de zinc par immersion dans ledit bain et la refroidir jusqu'à température ambiante, à une vitesse de refroidissement comprise entre 2 et 100°C/s.
  4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la feuille est maintenue à ladite température de maintien pendant 10 à 1000 secondes.
  5. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit bain contenant du zinc ou un alliage de zinc fondu est maintenu à une température comprise entre 450 et 480°C, et en ce que le temps d'immersion de ladite feuille est compris entre 2 et 400 secondes.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que ledit bain contient principalement du zinc.
  7. Utilisation d'une feuille à très haute résistance mécanique d'acier revêtue de zinc ou d'alliage de zinc, selon la revendication 2, pour la fabrication de pièces d'automobiles.
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