FR2688009A1 - Procede d'elaboration d'une tole d'acier et tole d'acier obtenue par ce procede. - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé d'élaboration d'une tôle à partir d'une brame d'acier, dans lequel on utilise un acier dont la composition pondérale est la suivante: - carbone moins de 0,05% - manganèse de 1,5 à 2% - silicium de 0,1 à 0,5% - molybdène de 0,2 à 0,5% - phosphore moins de 0,03% - soufre moins de 0,01% - niobium de 0,04 à 0,06% - titane de 0,02 à 0,05% - aluminium de 0,01 à 0,06% - bore de 10 à 40 ppm, les teneurs en azote et en titane satisfaisant à la relation 3,5 N <= Ti, le reste étant constitué par du fer et des impuretés, on effectue un laminage à chaud de la brame d'acier dans un train de laminoir à larges bandes avec un taux d'écrouissage dans un train de laminoir finisseur compris entre 70 et 95% pour obtenir, à la sortie dudit laminage, une tôle d'acier dont la température est comprise entre 800 et 900degré C, on refroidit la tôle à l'eau et à l'air avec une vitesse de refroidissement comprise entre 50 et 150degré C/s dans le domaine austénitique et on effectue un bobinage de la tôle refroidie à une température comprise entre 500 et 600degré C.

Description

La présente invention est relative à un procédé d'élaboration d'une tôle à

partir d'une brame d'acier, présentant une très haute résistance mécanique, une aptitude à la mise en forme ainsi qu'une excellente soudabilité. La présente invention a également pour objet

une tôle d'acier obtenue par ce procédé.

Dans certaines industries, notamment 1 ' indus-

trie automobile, on exige de certaines pièces métalliques des caractéristiques mécaniques particulières, à savoir

une haute résistance à la fatigue, de grandes possibili-

tés de formage ainsi qu'une excellente soudabilité.

Par exemple, sur les véhicule de tourisme et les poids lourds, les voiles des roues présentent des parties amincies qui constituent des zones de fragilité pour ces roues Ainsi, les constructeurs s'orientent vers de l'acier possédant une résistance mécanique de plus en

plus élevée ainsi que d'excellentes propriétés d'embou-

tissage et de soudage.

Les tôles d'acier utilisées pour réaliser ce type de pièces font généralement partie de la gamme des produits plats laminés à chaud dont les caractéristiques mécaniques sont obtenues par un laminage contrôlé sur un

train de laminoir à larges bandes.

On connaît dans cette gamme plusieurs aciers à caractéristiques mécaniques élevées dont le premier est

un acier à haute limite d'élasticité, dit HLE.

L'acier HLE est un acier microallié qui présente une limite d'élasticité comprise entre 315 et 690 M Pa, mais qui possède une aptitude au formage médiocre du fait notamment d'un rapport entre la limite d'élasticité Re et la résistance mécanique Rm élevé, à

savoir supérieur à 0,85.

On connaît également les aciers DUAL PHASE dont la structure est du type ferrite-martensite et qui

sont dotés d'une formabilité remarquable.

Par contre, ces aciers présentent une soudabilité médiocre et une résistance mécanique qui ne

dépasse pas 600 M Pa.

Les aciers dits HR font également partie des aciers à caractéristiques mécaniques élevées et sont des aciers au carbone-manganèse qui subissent après laminage un refroidissement suffisamment rapide associé à un

bobinage vers 400-450 'C.

Les tôles d'acier ainsi produites possèdent

une structure ferrito-bainitique de formabilité intermé-

diaire entre les tôles d'acier HLE et les DUAL PHASE.

Malgré, une bonne aptitude à l'emboutissage, en raison d'un rapport entre la limite d'élasticité Re et la résistance mécanique Rm compris entre 0,75 et 0,80 et une très bonne soudabilité, on constate que ces aciers possèdent une résistance mécanique voisine de 600 M Pa qui

ne leur confère pas un comportement en fatigue suffisant.

On connaît encore les aciers TRIP, c'est à dire à transformation plastique induite, qui allient une très haute résistance mécanique, supérieure à 800 M Pa avec des allongements élevés qui leur procurent une

formabilité excellente.

Mais, en raison des teneurs élevées en carbone et éléments d'alliage, un tel acier est très

difficilement soudable.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédemment cités en proposant un procédé d'élaboration d'une tôle d'acier présentant à la fois une très haute résistance mécanique, une bonne

aptitude au formage et une excellente soudabilité.

La présente invention a ainsi pour objet un procédé d'élaboration d'une tôle à partir d'une brame d'acier, caractérisé en ce qu'on utilise un acier dont la composition pondérale est la suivante: carbone moins de 0,05 % manganèse de 1,5 à 2 % silicium de 0,1 à 0,5 % molybdène de 0,2 à 0,5 % phosphore moins de 0,03 % soufre moins de 0,01 % niobium de 0,04 à 0,06 % titane de 0,02 à 0,05 % aluminium de 0,01 à 0,06 % bore de 10 à 40 ppm, les teneurs en azote et en titane satisfaisant à la relation 3,5 N < Ti, le reste étant constitué par du fer et des impuretés, on effectue un laminage à chaud de la brame d'acier dans un train de laminoir à larges bandes avec un taux d'écrouissage dans un train de laminoir finisseur compris entre 70 et 95 % de façon à obtenir, à la sortie dudit laminage, une tôle d'acier dont la température est comprise entre 800 et 900 C, on refroidit la tôle à l'eau et à l'air avec une vitesse de refroidissement comprise entre 50 et C/s dans le domaine austénitique, et on effectue un bobinage de la tôle

refroidie à une température comprise entre 500 et 600 C.

Selon d'autres caractéristiques de l'inven-

tion: on utilise un acier dont la composition pondérale des éléments suivants est de préférence: carbone de 0,03 à 0,05 % manganèse 1,7 à 2 % silicium de 0,2 à 0,4 % molybdène de 0,2 à 0,4 % bore de 10 à 20 ppm, on soumet, en outre, la tôle à un décapage chimique dans de l'acide chlorhydrique, on effectue le bobinage de la tôle de préférence à une température comprise entre 560 et 5900 C. La présente invention a également pour objet

une tôle d'acier obtenue par le procédé mentionné ci-

dessus et dont les caractéristiques sont les suivantes: la limite d'élasticité Re de l'acier est comprise entre 620 et 720 M Pa, la résistance mécanique Rm de l'acier est comprise entre 800 et 900 Mpa, la limite d'élasticité et la résistance mécanique vérifiant la relation 0,7 < Re/Rm 5 0,82,

les allongements mesurés sur des éprouvet-

tes proportionnelles de type Lo = 5,65 V So, o Lo et So sont respectivement la longueur et la section initiales desdites éprouvettes, prélevées en sens long et en sens travers sur ladite tôle, sont respectivement supérieurs

à 15 et à 13 %.

D'autres avantages et caractéristiques de la

présente invention apparaîtront au cours de la descrip-

tion qui va suivre et qui est donnée uniquement à titre

d'exemple.

Les tôles d'acier faisant l'objet de la présente invention sont obtenues par laminage à chaud de brames provenant par exemple d'une installation de coulée continue.

La composition pondérale de l'acier consti-

tuant les brames est par exemple la suivante carbone 0,04 % manganèse 1,77 % silicium 0,24 % molybdène 0,29 % phosphore 0,01 % soufre 0,004 % niobium 0,054 % titane 0,03 % aluminium 0,045 %

bore 21 ppm.

La teneur en azote de 80 ppm vérifie la relation 3,5 N < Ti, le reste étant constitué par du fer

et des impuretés.

Les brames d'acier issues de la coulée continue sont réchauffées dans un four à une température comprise entre 1200 et 1250 'C et, plus précisément à 1250 'C, puis introduites dans un train de laminoir à larges bandes comprenant un train dégrossisseur et un train finisseur, chacun étant constitué de plusieurs

cages de laminoirs.

A l'entrée du train dégrossisseur, on a par exemple une brame de 220 mm d'épaisseur qui devient à la sortie dudit train une ébauche d'épaisseur comprise entre

et 40 mm et par exemple égale à 38 mm.

La fonction essentielle de ce laminage est la

réduction de l'épaisseur de la brame.

L'ébauche obtenue est ensuite engagée dans le train finisseur dans lequel on procède à un écrouissage avec un taux de réduction variant de 70 à 95 % produisant

ainsi un affinage des grains d'austénite.

Contrairement au laminage dans le train dégrossisseur, l'ébauche laminée dans le train finisseur est en permanence en prise dans une des cages dudit train

o le phénomène de recristallisation est retardé.

A la sortie du train finisseur, la tôle que l'on obtient, a une épaisseur comprise entre 2 et l Omm et sa température, encore appelée température de fin de laminage, est comprise entre 800 et 9000 C et par exemple égale à 8450 C. Il convient de noter que le passage de la brame dans le train dégrossisseur du laminoir n'est pas une opération indispensable et l'on peut par contre produire par une filière différente de la filière classique de la coulée continue des brames minces qu'il

n'est plus nécessaire de dégrossir.

La coulée de brames minces permet notamment de supprimer le passage des brames dans un train dégros- sisseur. Dans ce cas, la brame mince est directement engagée dans le train finisseur dans lequel on procède à l'écrouissage avec un taux de réduction variant de 70

à 95 %.

Après le laminage de la tôle, on effectue un refroidissement à l'air et à l'eau à l'aide de rampes d'arrosage. Lors de cette opération de refroidissement, il est connu de voir apparaître une phase ferritique aux

joints de grains ainsi qu'une phase perlitique.

Avantageusement, l'effet combiné du bore et du niobium permet d'inhiber la germination de la ferrite et ainsi l'austénite commence sa transformation en

bainite à des températures plus basses que les températu-

res usuelles.

Le niobium se révèle totalement efficace à partir de 0,04 % mais, au- delà de 0,06 % les propriétés de

mise en forme de l'acier se dégradent.

L'optimum de bore est, quant à lui, compris

entre 10 et 40 ppm.

Jusqu'à présent, il était difficile d'imagi-

ner un acier microallié pour l'emboutissage car la

formation de précipités est néfaste à la mise en forme.

Or, les éléments de microalliage de l'acier, selon la présente invention, ne sont pas utilisés en tant que précités, mais pour inhiber la transformation

ferritique et perlitique.

En outre, le choix de la température de fin de laminage permet de générer plus ou moins de défauts, appelés dislocations, dans le réseau cristallin et dans

lesquels germe la bainite.

Par exemple, pour une température de 8000 C l'allongement des grains d'austénite est plus élevé qu'à 900 QC, donc les dislocations seront plus nombreuses ce qui conduit à une structure bainitique plus fine qu'à

9000 C.

Au cours de ce refroidissement, on refroidit l'austénite à une vitesse comprise entre 50 et 1500 C/s

de préférence égale à 80 'C/s.

La tôle refroidie est ensuite bobinée à une température comprise entre 500 et 6000 C, de préférence entre 560 et 590 'C, et par exemple égale à 5800 C. A une température de bobinage trop basse, il se forme dans la tôle une phase martensitique qui tend

à dégrader la ductilité.

A une température plus haute, c'est à dire entre 400 et 5000 C, on obtient une structure bainitique très fine particulièrement adaptée aux aciers dits HLE

ou à haute limite élastique.

Les propriétés obtenues en raison notamment de la température de bobinage élevée, à savoir supérieure à 5000 C, sont tout à fait inattendues En effet, il est connu que le bobinage d'une tôle d'acier à température élevée provoque une diminution de la limite d'élasticité

Re et également une diminution de la résistance mécani-

que Rm.

Or, la demanderesse a eu le mérite de s'apercevoir que le molybdène permet la formation de carbures complexes très fragmentés à une température de bobinage élevée supérieure à 5000 C et qui maintiennent une résistance mécanique Rm élevée comprise entre 800 et 900 M Pa La résistance mécanique de l'acier selon l'exemple de réalisation de la présente invention est

égale à 803 M Pa mesurée sur une éprouvette proportion-

nelle de type Lo = 5,65 v( sa o Lo et So désignent respectivement la longueur et la section initiales de l'éprouvette avant traction, prélevée en sens long sur

une tôle d'acier.

Il a également été constaté qu'une teneur en molybdène supérieure à 0,5 % dégrade l'allongement de l'acier. Une teneur en silicium inférieure à 0,5 % permet d'améliorer l'allongement et donc les propriétés de mise en forme et permet d'éviter la formation de défauts de surface que l'on appelle fayalite lors du

réchauffage des brames dans les fours.

Ce défaut est rédhibitoire lorsque l'on

utilise des tôles décapées.

En effet, la fayalite Fe 2 Si O 4 forme avec Fe O un eutectique dont le point de fusion est à 11770 C, ainsi cet eutectique pénètre le long des joints de grains gamma et les incrustations lors du laminage dans le train

dégrossisseur sont révélées au cours du décapage.

En choisissant une teneur en manganèse allant de 1,5 à 2 %, le point de début de transformation bainitique a été abaissé et on a ainsi pu obtenir les

caractéristiques mécaniques visées.

La limite d'élasticité Re de l'acier selon la présente invention est comprise, d'une manière générale, entre 620 et 720 M Pa et par exemple égale à 632 M Pa mesurée sur une éprouvette proportionnelle de type Lo = 5,65 V Sô o Lo et So désignent respectivement la

longueur et la section initiales de l'éprouvette, préle-

vée en sens long sur une tôle d'acier.

L'allongement d'une telle éprouvette propor-

tionnelle prélevée en sens long sur une tôle d'acier est

supérieur à 15 % et par exemple égal à 18,2 %.

Pour une éprouvette proportionnelle de même type et prélevée en sens travers sur la même tôle d'acier, l'allongement est supérieur à 13 % et par exemple

égal à 15 %.

Ces caractéristiques donnent à cet acier une excellente résistance en fatigue liée à sa résistance maximale avant rupture élevée, ainsi qu'une bonne aptitude à la mise en forme et notamment à l'emboutissage

grâce à sont rapport Re/Rm compris entre 0,7 et 0,82.

Pour améliorer les propriétés de mise en forme des tôles d'acier, la teneur en soufre doit être

inférieure à 0,01 % et cet élément doit être globularisé.

Par ailleurs, la présence d'une faible teneur en carbone procure à l'acier une excellente soudabilité, mais il convient de ne pas dépasser la valeur de 0,05 % au delà de laquelle on constate une augmentation de la

dispersion des caractéristiques mécaniques.

Le faible taux de carbone permet également de prévenir la formation de martensite qui est plutôt

néfaste à la ductilité de l'acier.

En outre, le titane est présent dans l'acier pour protéger le bore de l'azote et permettre la synergie

entre le bore et le niobium.

A cet effet, il est nécessaire d'ajouter du titane dans une quantité au moins stoechiométrique vis

à vis de l'azote ce qui conduit à un rapport Ti/Nk 3,5.

Après l'opération du bobinage, la tôle

possède toutes ses caractéristiques mécaniques d'emploi.

Dès que la tôle est refroidie, on procède à un décapage, par exemple par immersion dans un ou plusieurs bains d'acide chlorhydrique en vue d'éliminer

toutes traces d'oxyde sur la face de ladite tôle.

Les mesures précédemment mentionnées ont été

effectuées sur une tôle ayant subie un décapage.

Selon les applications envisagées et les spécifications des clients auxquels sont livrées les tôles, la tôle peut être découpée en bandes par une

cisaille avant sa livraison.

L'avantage de l'utilisation de ces tôles d'acier pour des pièces embouties, pliées ou profilées dans tous les secteurs d'activité, tels que l'automobile et la construction mécanique, consiste en la possibilité d'une réduction d'épaisseur permettant un allégement des pièces ou une amélioration des performances en fatigue

voire une combinaison de ces deux avantages.

il

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 Procédé de fabrication d'une tôle à partir d'une brame d'acier, caractérisé en ce qu'on utilise un acier dont la composition pondérale est la suivante: carbone moins de 0,05 % manganèse de 1,5 à 2 % silicium de 0,1 à 0,5 % molybdène de 0,2 à 0,5 % phosphore moins de 0,03 % soufre moins de 0,01 % niobium de 0,04 à 0,06 % titane de 0,02 à 0,05 % aluminium de 0,01 à 0,06 % bore de 10 à 40 ppm, les teneurs en azote et en titane satisfaisant à la relation 3,5 N < Ti, le reste étant constitué par du fer et des impuretés, on effectue un laminage à chaud de la brame d'acier dans un train de laminoir à larges bandes avec un taux d'écrouissage dans un train laminoir finisseur compris entre 70 et 95 % pour obtenir, à la sortie dudit laminage, une tôle d'acier dont la température est comprise entre 800 et 900 C, on refroidit la tôle à l'eau et à l'air avec une vitesse de refroidissement comprise entre 50 et 150 C/s dans le domaine austénitique, et on effectue un bobinage de la tôle

refroidie à une température comprise entre 500 et 600 C.

2 Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'on utilise un acier dont la composition pondérale des éléments suivants est de préférence: carbone de 0,03 à 0,05 % manganèse de 1,7 à 2 % silicium de 0,2 à 0,4 % molybdène de 0,2 à 0,4 %

bore de 10 à 20 ppm.

3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on soumet, en outre, la tôle à un décapage chimique dans de l'acide chlorhydrique.

4 Procédé selon les revendications 1 et 2,

caractérisé en ce qu'on effectue le bobinage de la tôle de préférence à une température comprise entre 560 et

5900 C.

5 Tôle d'acier obtenue par le procédé selon

l'une quelconque des revendications précédentes, caracté-

risée en ce que la limite d'élasticité Re de l'acier est comprise entre 620 et 720 M Pa, la résistance mécanique Rm de l'acier est comprise entre 800 et 900 Mpa, le rapport Re et Rm vérifiant la relation 0,7 < Re/Rm < 0,82.

6 Tôle d'acier selon la revendication 5, caractérisée en ce que les allongements mesurés sur des éprouvettes proportionnelles de type Lo = 5,65 Y so o Lo et So sont respectivement la longueur et la section initiales desdites éprouvettes prélevées en sens long et sens travers sur ladite tôle d'acier, sont respectivement

supérieurs à 15 et à 13 %.