EP1627092A1 - Tole laminee a froid et aluminiee en acier dual phase a tres haute resistance pour ceinture anti-implosion de televiseur, et procede de fabrication de cette tole - Google Patents

Tole laminee a froid et aluminiee en acier dual phase a tres haute resistance pour ceinture anti-implosion de televiseur, et procede de fabrication de cette tole

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EP1627092A1
EP1627092A1 EP04742705A EP04742705A EP1627092A1 EP 1627092 A1 EP1627092 A1 EP 1627092A1 EP 04742705 A EP04742705 A EP 04742705A EP 04742705 A EP04742705 A EP 04742705A EP 1627092 A1 EP1627092 A1 EP 1627092A1
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steel
sheet
cooled
aluminized
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Christophe Degand
Dominique Spehner
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ArcelorMittal France SA
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USINOR SA
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Abstract

L'invention concerne une tôle d'acier dual phase laminée à froid, susceptible d'être utilisée pour la fabrication d'une ceinture anti-implosion de téléviseur, dont la composition chimique comprend (teneurs exprimées en poids) : 0,03% <= C<= 0,3%, 1 % <= Mn <= 3%, 0,05% <= Si <= 2%, 0,02% <= Al <= 2%, 0,02% <= Cr <= 1%, Mo <= 1 %, S <= 0,02%, P <= 0,2%, N <= 0,01%, et, à titre optionnel, un ou plusieurs éléments choisis parmi Ti, V, Zr, Nb, la teneur en chaque élément étant comprise entre 0,001 et 0,2%, le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration. On réchauffe une brame ou un lingot d'acier de composition ci-dessus à une température comprise entre 1100 et 1300°C, on lamine à chaud cette brame ou ce lingot de telle sorte que la température de fin de laminage soit supérieure à la température Ar3 de l'acier, on refroidit la tôle ainsi obtenue à une vitesse VR comprise entre 1 et 500°C/s, puis on la bobine à une température comprise entre 300 et 720°C. Après laminage à froid, la tôle est soumise à un recuit continu à une température Tm supérieure à Ac1, refroidie à une vitesse supérieure à 2°C/s jusqu'à la température de l'opération d'aluminiage, puis à un passage au trempé dans un bain à base d'aluminium à une température comprise entre 650 et 720 °C, puis à un refroidissement à une vitesse supérieure à 2°C/s jusqu'à température ambiante. La microstructure de l'acier est constituée de ferrite et de 5 à 30% de martensite et moins de 2% de phases avec des carbures.

Description

Tôle laminée à froid et aluminiée en acier Dual Phase à très haute résistance pour ceinture anti-implosion de téléviseur, et procédé de fabrication de cette tôle
La présente invention concerne le domaine des ceintures antiimplosion d'écrans cathodiques. Ces éléments jouent un rôle essentiel dans les téléviseurs, car ils permettent d'éviter la déformation de la surface avant du tube sous l'effet de la différence de pression entre l'intérieur du tube (10"7 torr) et la pression atmosphérique. La mise sous tension par frettage de la ceinture contrebalance l 'effet de la pression atmosphérique. A défaut de cette correction, les couleurs sur l 'écran sont perturbées en raison de la modification de la distance grille-panneau phosphorescent. La fabrication de la ceinture comporte une opération d'expansion pour mise aux dimensions du tube cathodique, qui se traduit par un durcissement, puis un chauffage vers 500°C environ avant la mise en place par frettage. Cette dernière opération conduit à une déformation résiduelle d'environ 0,3 à 0,4% qui subsiste après fixation de la ceinture.
Les ceintures anti-implosion sont habituellement fabriquées à partir d'aciers calmés aluminium ou d'aciers sans interstitiels aluminiés, ce revêtement permettant d'assurer une protection contre la corrosion. Ces solutions traditionnelles ne permettent cependant pas d'atteindre des niveaux très élevés, puisque la limite d'élasticité Rp0,2 est voisine de 400 MPa après mise en place finale de la ceinture sur le tube dans ces conditions. Or l'évolution actuelle vers des grands écrans ou des écrans plats conduit à des efforts en service particulièrement élevés. On peut alors augmenter la section des ceintures anti-implosion, mais ceci se heurte au souci de réduction du poids des téléviseurs. L'utilisation de matériaux à caractéristiques mécaniques plus élevées (un paramètre important étant la limite d'élasticité après mise en place de la ceinture sur le tube) est quant à elle limitée par le fait que l'allongement de ces matériaux est en généralement réduit, ce qui conduit à des problèmes de mise en forme (fissures) dans les zones de pliage. On notera donc qu'il n'existe pas jusqu'à présent de ceinture anti-implosion à hautes caractéristiques mécaniques (limite d'élasticité après mise en place supérieure à 500 MPa, bon compromis résistance-ductilité)
Le but de la présente invention est de mettre à disposition une ceinture anti-implosion à hautes caractéristiques mécaniques, en particulier à limite d'élasticité supérieure à 500 MPa après mise en place de la bande sur le tube, un procédé et une tôle d'acier pour la fabrication de cette ceinture de façon économique. - A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une tôle d'acier Dual Phase (c'est-à-dire d'acier dont la structure est constituée d'une phase dure, essentiellement martensitique, dispersée au sein d'une matrice ferritique plus déformable) susceptible d'être utilisée pour la fabrication d'une ceinture anti-implosion de téléviseur, caractérisé par le fait que l'on élabore un acier dont la composition chimique comprend, les teneurs étant exprimées en poids : 0,03% < C < 0,3%, 1%≤ Mn < 3%, 0,05% < Si < 2%, 0,02% < Al < 2%, 0,02% ≤Cr < 1 %, Mo < 1 %, S < 0,02%, P< 0,2%, N < 0,01% et, à titre optionnel, un ou plusieurs éléments choisis parmi Ti, V, Zr, Nb, la teneur en chaque élément étant comprise entre 0,001 et 0,2%, le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration. On porte une brame ou un lingot d'acier de ladite composition à une température comprise entre 1100 et 1300 °C, on lamine à chaud la brame ou le lingot, la température de fin de laminage à chaud étant supérieure à la température Ar3 de l'acier, on refroidit la tôle ainsi obtenue à une vitesse VR comprise entre 1 et 500°C/s, on bobine la tôle à une température Tbob telle que 300 <Tb0b < 720°C, on lamine à froid la tôle, on soumet la tôle laminée à froid à un recuit continu à une température Tm telle que Tm> Ad , on refroidit la tôle à une vitesse supérieure à 2°C/s jusqu'à la température d'aluminiage, on aluminie ladite tôle au trempé dans un bain à base d'aluminium à une température comprise entre 650 et 720°C, et on refroidit ladite tôle jusqu'à température ambiante à une vitesse supérieure à 2°C/s. Selon une caractéristique préférée, on applique à ladite tôle aluminiée un traitement de skin-pass avec un taux de réduction inférieur à 5% L'invention a également pour objet une tôle d'acier fabriquée selon le procédé décrit ci-dessus, caractérisée en ce que la structure de l'acier est constituée d'une matrice ferritique contenant une proportion de martensite comprise entre 5 et 30%, et moins de 2% de phases avec des carbures. L'invention a également pour objet une ceinture anti-implosion de téléviseur caractérisée en ce qu'elle est élaborée à partir d'une bande de ladite tôle d'acier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description ci-dessous, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux figures annexées suivantes : - La figure 1 présente des cycles thermiques correspondant à des recuits en continu avec cycles de galvanisation ou d'aluminiage de tôles laminées à froid.
- La figure 2 présente, sous forme de diagramme de transformation en refroidissement continu, les structures métallurgiques formées dans les conditions de recuit avec cycles d'aluminiage ou de galvanisation en continu.
- Les figures 3 et 4 illustrent les microstructures correspondant respectivement aux cycles thermiques de galvanisation et d'aluminiage. Après de nombreux essais, les inventeurs ont montré que les différentes exigences rapportées ci-dessus peuvent être satisfaites en observant les conditions suivantes :
- En ce qui concerne la composition chimique de l'acier, le carbone joue un rôle très important sur la formation de la microstructure. Au-dessous de 0,03%, la trempabilité est cependant insuffisante pour obtenir les caractéristiques de limite d'élasticité et de résistance souhaitées. Au-delà de 0,30%, les propriétés d'emboutissabilité et de soudabilité sont très limitées.
- Outre un effet durcissant par solution solide, le manganèse est un élément qui stabilise l'austénite et procure une trempabilité satisfaisante. Une teneur minimale de 1 % est nécessaire pour obtenir les propriétés mécaniques désirées. Cependant, au-delà de 3%, son caractère gammagène conduit à la formation d'une structure en bandes trop marquée et dégrade également la soudabilité. - Le silicium est un élément participant à la désoxydation de l'acier liquide et au durcissement en solution solide. De plus, il empêche la précipitation des carbures en favorisant la formation de phase martensitique. Il joue un rôle effectif à partir de 0,05%. Cependant, au-delà d'une teneur en Si de
2%, la formation d'oxydes adhérents à la surface des produits devient excessive et la soudabilité est réduite.
- L'aluminium est un élément efficace pour la désoxydation de l'acier liquide à partir d'une teneur de 0,02%. Au-delà de 2% la soudabilité est dégradée, et son addition n'est plus effective
- Le chrome agit sur le durcissement en solution solide et sur la trempabilité. A ce dernier titre, il permet donc d'obtenir une structure dual- phase avec des vitesses de refroidissement moins élevées que pour des compositions ne contenant pas de chrome. Il est efficace à partir d'une teneur de 0,02%. Au-delà de 1 %, on observe une augmentation du risque de poudrage lors de l'emboutissage, ainsi qu'une dégradation du compromis entre la résistance et la ductilité.
- Le molybdène agit sur le durcissement en solution solide et sur la trempabilité. A ce dernier titre, il permet donc d'obtenir une structure dual- phase avec des vitesses de refroidissement moins élevées que pour des compositions ne contenant pas de molybdène. Au-delà de 1%, il dégrade sensiblement la soudabilité de l'acier.
- Au-delà d'une teneur en soufre de 0,02%, la ductilité est réduite en raison de la présence de sulfures qui diminuent l'aptitude à la déformation, en particulier lors de l'essai d'expansion de trou.
- Le phosphore est un élément qui diminue l'aptitude au soudage par points et la ductilité à chaud, particulièrement en raison de sa tendance à la ségrégation ou à la co-ségrégation avec le manganèse. Pour ces raisons, sa teneur doit être limitée à 0,2 %. - Lorsqu'ils sont présents, des éléments de microalliage (Ti, Nb, V, Zr) dans des teneurs comprises entre 0,001% et 0,2% durcissent l'acier en précipitant sous forme de carbures ou nitrures. La mise en œuvre du procédé de fabrication selon l'invention est la suivante : - Des brames ou des lingots d'acier de composition ci-dessus sont tout d'abord portés à une température comprise entre 1 100 et 1300°C. Ceci a pour but d'atteindre en tout point les domaines de température favorables aux fortes déformations que va subir l'acier lors du laminage, ainsi que de remettre en solution les carbures formés après solidification. Cependant, si la température est trop importante, les grains austénitiques croissent de façon indésirable. Il convient donc de limiter la température initiale à 1300°C afin de maintenir un grain austénitique fin à ce stade.
- Le laminage est effectué dans le domaine austénitique et doit être terminé à une température supérieure à Ar3, fonction de la composition de l'acier.
- Le laminage est suivi d'un refroidissement à une vitesse VR comprise entre 1 et 500°C/s, puis d'un bobinage à une température comprise entre 300 et 720°C. Ces conditions permettent d'éviter le développement de structures de bandes perlitiques sur la tôle à chaud.
- Le laminage à froid est réalisé dans des conditions identiques à celles des aciers conventionnels, par exemple avec un taux de réduction compris entre 30 et 80%.
- On effectue ensuite un recuit dans le domaine biphasé (température de recuit comprise entre Ad et Ac3) ou dans le domaine austénitique
(température supérieure à Ac3) afin de permettre la transformation de l'austénite formée lors de ce recuit en constituants de dureté élevée lors du refroidissement.
- Afin de garder des proportions suffisantes de cette austénite lors du refroidissement et avant l'opération d'aluminiage, la vitesse de refroidissement après maintien doit être supérieure à 2°C/s.
- La température de maintien après recuit, qui est la température d'aluminiage dans le cas de la fabrication de produits aluminiés, est un élément important de l'invention : en effet, la figure 1 présente un exemple (1 1 ) de recuit associé à un cycle d'aluminiage. Pour comparaison, on a également fait figurer un cycle thermique typique correspondant à un recuit avec galvanisation ultérieure (12) Après un maintien dans le domaine biphasé, on notera que l'étape de revêtement s'effectue vers 680°C (aluminiage) ou 450°C (galvanisation) La superposition des cycles précédents à un diagramme de transformation en refroidissement continu (« TRC ») d'une nuance (C = 0,12%, Mn = 1 ,4%, Si = 0,35%) met en évidence que ces deux types de cycles conduisent à des microstructures bien différentes : en effet, lorsque le revêtement est réalisé aux températures typiques de galvanisation, on assiste à l'apparition de phases comportant des carbures, en particulier des phases bainitiques. Par contre dans le cas où l'étape de revêtement est effectuée à une température suffisamment importante (supérieure à 650°C pour les compositions évoquées ici), seule la ferrite est susceptible de se former partiellement à haute température. Cette transformation ferritique partielle ne peut être cependant très importante, puisque les températures de maintien associées au cycle d'aluminiage sont proches de la température Ar1 des compositions d'aciers dual-phase. Après maintien, un refroidissement ininterrompu jusqu'à température ambiante avec une vitesse suffisante (supérieure à 2°C/s) permet d'obtenir une proportion appréciable de martensite. De la sorte, il est possible de fabriquer des aciers dual-phase à caractère presque totalement ferrito-martensitique, à l'exclusion pratiquement de toutes autres phases contenant des carbures, telles que la bainite ou la perlite.
On observera en effet dans la figure 2 que les zones bainitiques et surtout perlitiques du diagramme sont traversées rapidement lors du refroidissement, ce qui implique que ces phases ne seront éventuellement présentes qu'en très petite quantité. En d'autres termes, grâce au recuit avec cycle d'aluminiage, il est possible de fabriquer avantageusement des aciers à structure essentiellement ferrito- martensitique (Dual Phase) dont les propriétés intéressantes sont :
- Un rapport (limite d'élasticité/résistance) plus faible
- Un accroissement du paramètre (résistance x Allongement) - Une absence systématique de palier à l'état brut de recuit, ce qui élimine pratiquement la nécessité d'un skin-pass.
Une proportion de martensite supérieure à 5% permet de garantir une résistance minimale de 450 MPa après 2% de déformation à froid. Par contre les propriétés de ductilité sont abaissées lorsque la proportion de martensite est supérieure à 30% et lorsque la proportion de phases contenant des carbures est de plus de 2%.
- Après aluminiage, il peut être néanmoins avantageux d'effectuer un traitement de skin-pass : Cette opération, qui peut être effectuée avec un taux allant de 0 à 5%, permet la réalisation de tôles avec différents niveaux de limite d'élasticité en fonction du niveau de caractéristiques mécaniques souhaité. Cette déformation vient naturellement se cumuler avec l'écrouissage éventuel ultérieur lors des opérations de fabrication de pièces à partir de ces tôles, ce qui contribue à l'obtention de très hautes limites d'élasticité sur pièce à l'état final. A titre d'exemple, les résultats suivants vont montrer que l'invention décrite permet d'obtenir des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles de tôles d'aciers de même composition, mais avec un cycle de recuit différent, ou à celles de matériaux utilisés conventionnellement dans la fabrication de ceintures de téléviseur avec des cycles identiques (recuit avec aluminiage). On notera bien entendu que les avantages conférés par l'invention peuvent être également exploités dans d'autres applications industrielles combinant la nécessité d'une haute limite d'élasticité, d'une bonne aptitude à la déformation, et d'une protection par aluminiage.
Exemple 1 :
L'exemple s'appuie sur des tôles d'aciers dont la composition figure au tableau 1 (analyses en % pondéral)
Tableau 1
Les aciers A1 à A3 ont été réchauffés à une température de 1250°C, puis soumis à un laminage à chaud avec une température de fin de laminage de 900°C suivi d'un refroidissement à une vitesse vR de 25°C/s et d'un bobinage à 570°C.
Les tôles laminées à froid jusqu'à une épaisseur de 1 mm ont été ensuite soumises à un recuit continu à une température de 800°C pendant 60 s, à un cycle d'aluminiage (repère « I» dans le tableau 2, conditions correspondant à l'invention) à 680°C, puis refroidis à 20°C/s jusqu'à l'ambiante. A titre de comparaison, on a également indiqué les propriétés après recuit puis cycle de galvanisation à 450°C (repère « R » dans le tableau 2) Les propriétés mécaniques mesurées sur éprouvettes de 12,5x50 mm2 et les microstructures ont été reportées au tableau 2, avec :
Re : limite d'élasticité
Rm : Résistance
P : longueur du palier
A : allongement total
M : Proportion de martensite
(P+B) : Proportion de perlite et de bainite
Ces résultats font apparaître clairement que :
- Un procédé de fabrication selon l'invention conduit à des structures composées presque uniquement de ferrite et de martensite, pratiquement sans phases contenant des carbures. Ce point est illustré aux figures 3 et 4 où l'on peut comparer les structures de l'acier A3 dans le cas d'un cycle de galvanisation et d'aluminiage respectivement. - Ces microstructures obtenues après cycle d'aluminiage sont associées à des caractéristiques mécaniques supérieures à celles issues d'un traitement de référence : faible rapport Re/Rm, absence de palier, valeurs élevées du paramètre associant la résistance et l'allongement. On notera par exemple que l'application de l'invention permet d'augmenter la résistance de 40 à 80 MPa par rapport à un traitement avec recuit avec galvanisation. On notera également dans les trois exemples ci-dessus que les aciers permettent d'obtenir une résistance minimale garantie de 450, 500 et 600 MPa respectivement. Exemple 2 :
Le tableau 3 présente la composition (analyse en % pondéral) d'un acier permettant d'obtenir une résistance de 750 MPa lorsque celui-ci est soumis à un cycle de galvanisation (cf. conditions du cycle « R » ci-dessus) Une tôle d'acier laminée à froid de 1 mm, élaborée dans des conditions identiques à celles précisées ci-dessus, a été soumise à un recuit continu à 800°C pendant 50 s ou 100 s puis à un cycle d'aluminiage à 680°C pendant 10 ou 20s, puis refroidie respectivement à 40°C/s ou 20°C/s jusqu'à l'ambiante. Ces conditions, respectivement désignées par 11 et 12, correspondent donc à celles de l'invention.
Tableau 3
Les propriétés mécaniques et les microstructures ont été reportées au tableau 4, avec les mêmes conventions qu'au tableau 2
Tableau 4 Ces résultats font là encore apparaître les avantages conférés par l'invention :
- La microstructure est pratiquement exempte de phases contenant des carbures
- A allongement comparable, la résistance obtenue dans les conditions de l'invention est très supérieure à celle du traitement de référence, puisque celle-ci passe de 750 MPa à plus de 850 MPa. A caractéristiques mécaniques données, on comprend donc que la mise en œuvre de l'invention permet d'abaisser la teneur en éléments d'alliage nécessaire pour obtenir ces propriétés, ce qui est avantageux en termes de coûts et de facilité ultérieure de mise en œuvre du produit (soudage, mise en forme)
Exemple 3 :
Le tableau 5 présente deux exemples de compositions (analyses en % pondéral) d'aciers de référence : Ces aciers de repère R1 (calmé aluminium) ou sans interstitiels (repère R2) sont mis en œuvre usuellement pour la fabrication de ceintures de téléviseur. Le tableau présente également deux compositions d'aciers dual phase correspondant à l'invention (repères 13 et 14) Des tôles d'aciers d'environ 1 mm d'épaisseur ont été élaborées sur les bases indiquées dans l'exemple 1. Ces tôles ont été ensuite recuites en continu dans une gamme comprise entre 780 et 820°C, soumises à un traitement d'aluminiage à 680°C, puis à un traitement de skin-pass avec une déformation comprise entre 1 à 3%.
Tableau 5 Les tôles obtenues ont subi ensuite un traitement correspondant à un cycle de fabrication de ceintures de téléviseur : ε=3% (opération d'expansion pour mise en place de la ceinture) et chauffage à 375-550°C pour frettage. La limite d'élasticité mesurée dans ces conditions est indiquée au tableau 6.
Tableau 6 La microstructure de l'acier de référence R1 est constituée de ferrite et de précipités de carbonitrures de titane, celle de l'acier R2 de ferrite et de cémentite.
Ces résultats mettent bien en évidence que les aciers selon les caractéristiques de l'invention permettent d'obtenir une limite d'élasticité nettement plus élevée que les solutions conventionnelles, supérieure à 500MPa. A caractéristiques mécaniques données, Il est donc possible de réaliser un gain de poids significatif dans la réalisation de ceintures antiimplosion de tubes cathodiques.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de fabrication d'une tôle d'acier Dual Phase susceptible d'être utilisée pour la fabrication d'une ceinture anti-implosion de téléviseur, caractérisé en ce que :
- On élabore un acier dont la composition chimique comprend, les teneurs étant exprimées en poids :
0,03% < C < 0,3% 1 %< Mn < 3%
0,05% < Si < 2%
0,02% < Al < 2%
0,02% <Cr < 1 %
Mo ≤ 1 % S < 0,02%
P< 0,2%
N ≤ 0,01 % et, à titre optionnel, un ou plusieurs éléments choisis parmi Ti, V, Zr, Nb, la teneur en chaque élément étant comprise entre 0,001 et 0,2%, le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés résultant de l'élaboration,
- On porte une brame ou un lingot d'acier de ladite composition à une température comprise entre 1100 et 1300 °C
- On lamine à chaud ladite brame ou ledit lingot, la température de fin de laminage à chaud étant supérieure à la température Ar3 de l'acier
- On refroidit la tôle ainsi obtenue à une vitesse VR comprise entre 1 et 500°C/s
- On bobine ladite tôle à une température Tbob telle que 300 <Tbob< 720°C
- On lamine à froid ladite tôle - On soumet ladite tôle laminée à froid à un recuit continu à une température Tm telle que Tm> Ad - On refroidit ladite tôle à une vitesse supérieure à 2°C/s jusqu'à la température d'aluminiage
- On aluminie ladite tôle au trempé dans un bain à base d'aluminium à une température comprise entre 650 et 720°C - On refroidit ladite tôle jusqu'à température ambiante à une vitesse supérieure à 2°C/s
2 - Procédé de fabrication selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on applique à ladite tôle aluminiée un traitement de skin-pass avec un taux de réduction inférieur à 5%
3 - Tôle d'acier fabriquée selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la structure dudit acier est constituée d'une matrice ferritique contenant une proportion de martensite comprise entre 5 et 30%, et moins de 2% de phases avec des carbures.
4- Ceinture anti-implosion de téléviseur caractérisée en ce qu'elle est élaborée à partir d'une bande de tôle d'acier fabriquée selon la revendication 3.
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